Crystallization of pristine cubic ice from liquid at ambient pressure
Deze studie toont aan dat zuiver kubisch ijs (Ic) reproduceerbaar direct vanuit de vloeibare fase gevormd kan worden bij atmosferische druk door een hydraatvormende waterige oplossing die opgesloten zit binnen mesoporeuze silica af te koelen, wat onthult dat nanoconfinement en clathraatbevorderende stoffen een natuurlijk toegankelijke route mogelijk maken voor deze voorheen ongrijpbare polymorf.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Water is een van de meest bekende stoffen op aarde, maar het verbergt een geheim dat wetenschappers al decennia lang raadtselachtig vindt. Wanneer water bevriest, verandert het meestal in een kristal met een specifieke, ordelijke vorm die bekend staat als hexagonale ijs. Dit is het ijs dat we zien in sneeuwvlokken, gletsjers en onze vriezers. Watermoleculen kunnen zich echter ook rangschikken in een andere, zeldzamere vorm die kubisch ijs wordt genoemd. Lange tijd debatteerden wetenschappers of deze kubische vorm ooit natuurlijk uit vloeibaar water zou kunnen ontstaan, of dat het slechts een vluchtige, rommelige mix van vormen was die snel veranderde in de gebruikelijke hexagonale soort. De vraag was belangrijk omdat als puur kubisch ijs gemakkelijk kan ontstaan, het veel algemener in de atmosfeer en de diepe ruimte zou kunnen voorkomen dan men voorheen dacht, wat ons begrip van weerpatronen en de samenstelling van kometen potentieel zou veranderen.
Een team van onderzoekers heeft nu een manier gevonden om dit ongrijpbare kubische ijs direct uit vloeibaar water te laten verschijnen bij normale luchtdruk, zonder dat daar extreme kou of hoge druk voor nodig is. Dit deden ze door een mengsel van water en een specifieke organische chemische stof te vangen in minuscule, sponsachtige gaatjes in een materiaal dat silica wordt genoemd. De silica fungeert als een container met miljoens microscopische tunnels, elk ongeveer 3,7 nanometer breed. Binnen deze tunnels plaatsten de onderzoekers een vloeibaar mengsel van water en tetrahydrofuraan, een chemische stof die erom bekend staat dat deze helpt bij het vormen van kooistructuren met watermoleculen. Wanneer zij dit gevangen mengsel afkoelden tot 150 Kelvin, bevroor het water.
De resultaten waren duidelijk en reproduceerbaar. Met behulp van een krachtig instrument dat neutronen op het monster afvuurt om te zien hoe de atomen zijn gerangschikt, observeerden de onderzoekers dat het water was veranderd in puur, ongeschonden kubisch ijs. Dit was geen rommelige mix van vormen; het was een enkele, uniforme kristalstructuur. Het experiment toonde aan dat deze transformatie betrouwbaar plaatsvond wanneer de vloeistof tussen 0,34 en 0,60 kubieke centimeter ruimte vulde voor elke gram silica. Cruciaal was dat de onderzoekers bewezen dat het kubische ijs alleen ontstond door de combinatie van de kleine tunnels en de aanwezigheid van de tetrahydrofuraan. Wanneer zij controlexperimenten uitvoerden met puur water of een andere chemische stof die geen kooien vormt, bevroor het water tot het gebruikelijke hexagonale ijs of een ongeordende mix, en nooit in de pure kubische vorm.
De studie onthulde ook wat er gebeurt met de delen van het mengsel die niet bevriezen. Terwijl het water in het midden van de tunnels veranderde in kubisch ijs, bleef een dun laagje vloeistof nabij de wanden van de tunnels onbevroren, wat veranderde in een glasachtige, niet-kristallijne staat. Deze glasachtige laag bevat de tetrahydrofuraanmoleculen, die schijnbaar interageren met het silica-oppervlak en voorkomen dat er ijs wordt gevormd op die plek. Deze scheiding suggereert dat de organische moleculen een directe rol spelen bij het sturen van de watermoleculen naar de kubische vorm. De onderzoekers maten de temperatuur waarbij dit opgesloten ijs smelt en vonden deze op 230 Kelvin, wat consistent is met het gedrag van ijs in zulke kleine ruimtes.
Deze ontdekking suggereert dat kubisch ijs niet slechts een laboratoriumcuriositeit is, maar een stabiele vorm van water die onder omstandigheden die in de natuur voorkomen, kan bestaan. De opstelling die in het experiment werd gebruikt, bootst omgevingen na waar water mogelijk gevangen zit op minuscule stofdeeltjes in de atmosfeer of in de ijzige korrels van kometen. Op deze plaatsen komen organische moleculen en mineraalstof vaak samen, wat precies de condities creëert die de onderzoekers gebruikten om het ijs te kweken. De bevindingen dagen het idee uit dat ijs in de hogere atmosfeer of in de ruimte voornamelijk een ongeordende mix van vormen is. In plaats daarvan suggereren ze dat puur kubisch ijs de primaire vorm in deze omgevingen zou kunnen zijn, gevormd direct uit vloeibaar water wanneer de juiste ingrediënten aanwezig zijn. Door aan te tonen dat dit proces werkt bij normale druk en relatief hoge temperaturen voor ijs, opent de studie een nieuwe weg naar het begrijpen van hoe water zich gedraagt in de meest extreme en verre hoeken van ons universum.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.