Die Entdeckung von neuem Eis könnte unser Verständnis von Wasser verändern

Forscher der UCL und der University of Cambridge haben eine neue Art von Eis entdeckt, die mehr wie flüssiges Wasser aussieht als jedes andere bekannte Eis und unser Verständnis von Wasser und seinen vielen Anomalien neu schreiben könnte.

Das neu entdeckte Eis ist amorph, das heißt, seine Moleküle liegen in einer desorganisierten Form vor, nicht perfekt geordnet wie in gewöhnlichem kristallinem Eis. Amorphes Eis, obwohl es auf der Erde selten ist, ist die Hauptart von Eis, die im Weltraum vorkommt. Tatsächlich hat Eis in der kälteren Umgebung des Weltraums nicht genug thermische Energie, um Kristalle zu bilden.

Für die in der Zeitschrift veröffentlichte Studie WissenschaftDas Forschungsteam verwendete ein Verfahren namens Kugelmahlen, bei dem normales Eis mit Stahlkugeln in einem auf -200 Grad Celsius gekühlten Gefäß kräftig geschüttelt wurde.

Sie entdeckten, dass der Prozess nicht zu kleinen Stücken normalen Eises führte, sondern eine neue Form von amorphem Eis erzeugte, das im Gegensatz zu allem anderen bekannten Eis die gleiche Dichte wie hatte flüssiges Wasser und dessen Zustand Wasser in fester Form ähnelte. Sie nannten das neue Eis „mittlere Dichte“. amorphes Eis“ (MDD).

Das Team schlug vor, dass MDA (das wie ein feines weißes Pulver aussieht) in den Eismonden des äußeren Sonnensystems existieren könnte Gezeitenkräfte Gasriesen wie Jupiter und Saturn können Scherkräfte ausüben, die denen ähneln, die beim Kugelmahlen auf gewöhnlichem Eis entstehen. Darüber hinaus stellte das Team fest, dass MDA beim Erhitzen und Umkristallisieren eine außergewöhnliche Wärmemenge freisetzte, was bedeutet, dass es tektonische Bewegungen und „Eisbeben“ in der mehrere Kilometer dicken Eisdecke auf Monden wie Ganymed auslösen könnte.

Hauptautor Professor Christoph Salzmann (UCL Chemistry) sagte: „Wasser ist die Grundlage allen Lebens. Unsere Existenz hängt davon ab, wir starten Weltraummissionen, um danach zu suchen, aber aus wissenschaftlicher Sicht ist es kaum verstanden.

„Wir kennen 20 kristalline Formen von Eis, aber bisher wurden nur zwei Hauptarten von amorphem Eis entdeckt, bekannt als Hohe Dichte und amorphes Eis niedriger Dichte. Es gibt eine riesige Dichtelücke zwischen ihnen und die akzeptierte Weisheit ist, dass es in dieser Dichtelücke kein Eis gibt. Unsere Studie zeigt, dass die Dichte von MDA genau innerhalb dieser Dichtelücke liegt, und dieser Befund kann weitreichende Auswirkungen auf unser Verständnis von flüssigem Wasser und seinen vielen Anomalien haben.”

Die Dichtediskrepanz zwischen bekanntem amorphem Eis hat Wissenschaftler zu der Annahme veranlasst, dass Wasser bei sehr kalten Temperaturen tatsächlich als zwei Flüssigkeiten existiert und dass diese beiden Flüssigkeiten theoretisch bei einer bestimmten Temperatur nebeneinander existieren könnten, eine Art, die über der anderen schwimmt, beispielsweise beim Mischen von Öl und Wasser. Diese Hypothese wurde in einer Computersimulation demonstriert, aber nicht experimentell bestätigt. Die Forscher sagen, dass ihre neue Studie Fragen zur Gültigkeit dieser Idee aufwerfen könnte.

Professor Salzmann sagte: „Bestehende Wassermodelle sollten erneut getestet werden. Sie müssen in der Lage sein, die Existenz von amorphem Eis mittlerer Dichte zu erklären. Dies könnte der Ausgangspunkt sein, um flüssiges Wasser endgültig zu erklären.“

Die Forscher schlugen vor, dass das neu entdeckte Eis der wahre glasige Zustand von flüssigem Wasser sein könnte, d. h. eine genaue Nachbildung von flüssigem Wasser in fester Form, so wie es Fensterglas ist feste Form aus flüssigem Siliziumdioxid. Ein anderes Szenario ist jedoch, dass das MDA überhaupt nicht glasig ist, sondern sich in einem stark gescherten kristallinen Zustand befindet.

Co-Autorin Professor Andrea Sella (UCL Chemistry) sagte: „Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, etwas zu erschaffen, das wie eine Art Stop-Motion-Wasser aussieht. Dies ist eine unerwartete und ziemlich erstaunliche Entdeckung.“

Der Hauptautor Dr. Alexander Rosu-Finsen, der die experimentellen Arbeiten am UCL Chemistry durchführte, sagte: „Wir haben das Eis lange Zeit wie verrückt geschüttelt und die Kristallstruktur zerstört hatte eine ganz neue Art von Ding gefunden, mit bemerkenswerten Eigenschaften.”

Durch die Nachahmung des Kugelmahlverfahrens durch wiederholtes zufälliges Scheren von kristallinem Eis erstellte das Team auch ein Computermodell von MDA. Dr. Michael Davies, der während seiner Promotion Computermodellierung durchführte. Student im ICE-Labor (Interfaces, Catalytic and Environmental) an der UCL und der University of Cambridge, sagte: „Unsere Entdeckung von MDA wirft viele Fragen über die Natur von flüssigem Wasser auf und es ist daher sehr wichtig, die genaue atomare Struktur von MDA zu verstehen .”

Wasser hat viele Anomalien, die Wissenschaftler lange verwirrt haben. Zum Beispiel hat Wasser bei 4 Grad Celsius sein Maximum und wird weniger dicht, wenn es gefriert (also schwimmt Eis). Je mehr Sie flüssiges Wasser zusammendrücken, desto leichter lässt es sich komprimieren, was von den Prinzipien abweicht, die für die meisten anderen Substanzen gelten.

Amorphes Eis wurde erstmals in den 1930er Jahren in seiner Form mit geringer Dichte entdeckt, als Wissenschaftler Wasserdampf auf einer auf -110 Grad Celsius gekühlten Metalloberfläche kondensierten. Seine hohe Dichte wurde in den 1980er Jahren entdeckt, als gewöhnliches Eis auf fast -200 Grad Celsius komprimiert wurde. Obwohl amorphes Eis im Weltraum weit verbreitet ist, wird angenommen, dass es auf der Erde nur in den kalten oberen Teilen der Atmosphäre vorkommt.

Kugelmahlen ist eine Technik, die in mehreren Branchen zum Mahlen oder Mischen von Materialien verwendet wird, aber bisher nicht auf Eis angewendet wurde. In der Studie wurde flüssiger Stickstoff verwendet, um eine Zerkleinerungsschale auf -200 Grad Celsius zu kühlen, und die Dichte von zerkleinertem Kugeleis wurde anhand seines Auftriebs in flüssigem Stickstoff bestimmt. Die Forscher verwendeten eine Reihe anderer Techniken, um die Struktur und Eigenschaften von MDA zu analysieren, darunter Röntgenbeugung (Untersuchung des Musters der vom Eis reflektierten Röntgenstrahlen) und Raman-Spektroskopie (Untersuchung, wie das Eis Licht streut) am UCL . Chemie sowie Kleinwinkelbeugung am UCL Center for Nature-Inspired Engineering, um seine langreichweitige Struktur zu untersuchen. Sie replizierten auch erfolgreich den Produktionsprozess von Eis mittlerer Dichte in einer Computersimulation unter Verwendung der UCL Kathleen High Performance Computing Facility.

Darüber hinaus verwendeten sie Kalorimetrie, um die Wärme zu untersuchen, die beim Medium freigesetzt wirdDichte rekristallisiertes Eis bei wärmere Temperaturen. Sie fanden heraus, dass, wenn sie MDA komprimierten und es dann wieder erhitzten, es beim Umkristallisieren eine überraschend hohe Energiemenge freisetzte, was zeigte, dass H₂O könnte ein hochenergetisches geophysikalisches Material sein, das tektonische Bewegungen in Eismonden des Sonnensystems antreiben kann.