Een huiveringwekkende ontdekking: de verrassende flexibiliteit van ijs op nanoschaal

Je zou denken dat er niets verrassends is om over water te ontdekken. Onderzoekers bestuderen tenslotte al eeuwen zijn eigenschappen.

Maar vandaag melden onderzoekers van de Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy een nieuwe bevinding. Hoewel ijs vormt in een perfect zeshoekig rooster, is het verrassend flexibel en kneedbaar, wat verklaart waarom ijs zo vaak gasbellen heeft gevangen.

De bevindingen komen van de allereerste moleculaire resolutie-waarnemingen van nanoschaalmonsters van ijs bevroren uit vloeibaar water, die waren gepubliceerd Vandaag in het dagboek Natuurcommunicatie.

“We hebben opgelost gas waargenomen, niet alleen holten in ijskristallen genereren, maar ook migreren, samenvoegen met andere gasbellen en oplossen – het is alleen mogelijk vanwege de ongebruikelijke aard van binding in ijs,” zei James de Yoreo, hoofdonderzoeker van het werk en een Battelle Fellow bij PNNL. “Dit werk opent een geheel nieuwe kans om ijskristallisatie en smeltgedrag op schalen slechts een paar jaar geleden onvoorstelbaar te verkennen.”

Het onderzoek zou diepgaande gevolgen kunnen hebben voor het behoud van diep bevroren (cryogene) biologische weefselmonsters, het voorspellen van ijsgedrag voor luchtvaart en voertuigveiligheid en het begrijpen van de beweging van gletsjers, naast andere onderzoeksgebieden.

“Er zijn veel mysteries over ijs geweest,” zei PNNL -materialenwetenschapper Jingshan du, hoofdauteur van het werk. “We willen begrijpen hoe ijs structurele onvolkomenheden in het kristal verdragen en hoe gevangen bubbels de mechanische eigenschappen van het kristal beïnvloeden. Nu hebben we een manier om dat te begrijpen.”

Wat is er nieuw met ijs

Tot nu toe heeft niemand in staat geweest om direct moleculen van water te observeren die de verschuiving van vloeibaar water naar ijs ondergaan. Dat komt omdat de technieken die wetenschappers gebruiken om individuele atomen te bekijken, zware omstandigheden met zich meebrengen, waaronder het gebruik van hoge energie straling en verwijdering van alle lucht (vacuümafdichting). Hoewel onderzoekers op moleculaire schaal enkele beelden van ijs hebben gegenereerd, weerspiegelt dat ijs niet de normale vries-dooi cycli op aarde. Het wordt gegenereerd door het bevriezen van flits rechtstreeks van damp tot vaste stof.

Om die problemen te voorkomen, sloeg het onderzoeksteam vloeibaar water tussen dunne koolstofmembranen, wat de kritische factor bleek te zijn die leidde tot deze doorbraak van beeldvorming. Vervolgens ontwikkelden ze een nieuwe techniek, cryogene vloeistofceltransmissie-elektronenmicroscopie, om het vriesproces te volgen.

“De membranen beschermen de ijskristallen tegen hoog vacuüm en straling, waardoor we beelden kunnen verkrijgen met informatie op atoomniveau,” zei Du.

Ze zagen gasbellen vormen, zich door het rooster bewegen, samenvoegen met andere bubbels en oplossen.

De onderzoeksresultaten toonden aan dat wanneer vloeibaar water verandert in massief ijs, defecten in zijn kristalstructuur of gevangen gasbellen niet veel spanning veroorzaken in het ijskristal, wat een breuk kan veroorzaken. Het past zich met verrassend gemak aan de aanwezigheid van het defect aan in vergelijking met andere vaste stoffen, zoals metaal of mineralen.

De aard van de chemische bindingen van water maakt het buitengewoon flexibel en kneedbaar, zelfs als vast ijs. Deze nieuwe observatie, gecombineerd met het cruciale feit dat ijs minder dicht is dan vloeibaar water, zijn eigenschappen die het leven op aarde ondersteunen, en vooral in de zee.

De onderzoekers maakten ook directe observaties van de geometrieën en krachten die de vorming van ijskristallen op alle schalen begeleiden, inclusief de vorming van sneeuwvlokken. Terwijl sneeuw vormt uit waterdamp, geen vloeibaar water, zijn dezelfde onderliggende krachten aan het werk.

Om hun experimentele observaties te bevestigen, werkten de PNNL-wetenschappers samen met onderzoekers van Argonne National Laboratory en de University of Illinois-Chicago die machine learning hadden gebruikt om een ​​zeer nauwkeurig moleculair dynamiekmodel voor ICE te ontwikkelen. De vergelijkingen tussen het experiment en wat werd voorspeld door theoretische modellen bevestigde dat ijs uniek is tussen vaste stoffen in zijn tolerantie voor defecten zonder de integriteit van de ijskristalstructuur in gevaar te brengen.

Waarom opgesloten luchtbellen in ijs materie

Terwijl het PNNL -team ijsdynamiek op een nanoschaal bestudeert, ontdekken andere onderzoekers dat de aanwezigheid van luchtbellen in gletsjers hun gedrag enorm beïnvloedt. Onlangs, Wetenschappers toonden Die gletsjers smelten meer dan twee keer sneller als ze bubbels bevatten, vergeleken met bellenvrij ijs. Andere wetenschappers proberen dat te doen Vermijd het hebben van een ijsvorm in delicate weefselmonsters of op vliegtuigen tijdens de vlucht.

Volgende stappen voor dit onderzoek zijn onder meer het bestuderen van smelten en werken met meer gecompliceerde monsters, waaronder water met opgeloste materialen.