冰的新结晶形式科学家阐明了奇异冰的晶体结构XIX
发布时间:2022-10-18 15:10:50
冰的新结晶形式:科学家阐明了奇异冰的晶体结构XIX
三年前,化学家发现存在新的冰的证据。在此之前,已知18种类型的结晶冰。该小组现在报告使用中子衍射阐明冰XIX的晶体结构
冰是一种非常通用的材料。在雪花或冰块中,氧原子呈六边形排列。这种冰形式称为冰一。奥地利因斯布鲁克大学物理化学研究所的Thomas Loerting解释说:“严格来说,它们实际上并不是完美的晶体,而是无序的系统,其中的水分子在不同的空间方向上随机取向。”
迄今为止,已知包括冰I的18种冰晶形式,它们的原子排列不同。不同类型的冰,称为多晶型物,取决于压力和温度而形成,并且具有非常不同的特性。例如,它们的熔点相差几百摄氏度。“它可以与金刚石和石墨相媲美,它们都是由纯碳制成的,”
冰冷的品种
当常规冰I强烈冷却时,如果实验正确进行,除氧原子外,氢原子还可以周期性地排列。在低于摄氏200度的温度下,这可能导致形成所谓的冰XI,其中所有水分子根据特定的模式排列。这种有序的冰形式不同于无序的父母形式,特别是在它们的电特性上。
在当前的工作中,因斯布鲁克的化学家们处理了母体形式的冰VI,该冰是在高压下形成的,例如在地球的地幔中。
像六角形冰一样,这种高压形式的冰也不是完全有序的晶体。十多年前,因斯布鲁克大学的研究人员生产了这种冰的氢排序变体,并将其作为教科书XV运用于教科书中。
通过改变制造工艺,三年前,托马斯·洛尔汀的团队首次成功创建了制冰VI的第二种订购形式。为此,科学家们大大减慢了冷却过程,并将压力提高到20 kbar左右。这使他们能够将氢原子以第二种方式排列在氧晶格中并产生冰XIX。“
当时我们找到了明确的证据,表明它是一种新的有序变体,但我们无法阐明其晶体结构。” 现在,他的团队已经成功地使用金标准进行结构确定。科学家大大减慢了冷却过程,并将压力提高到20 kbar左右。
这使他们能够将氢原子以第二种方式排列在氧晶格中并产生冰XIX。“当时我们找到了明确的证据,表明它是一种新的有序变体,但我们无法阐明其晶体结构。” 现在,他的团队已经成功地使用金标准进行结构确定。
科学家大大减慢了冷却过程,并将压力提高到20 kbar左右。这使他们能够将氢原子以第二种方式排列在氧晶格中并产生冰XIX。“当时我们找到了明确的证据,表明它是一种新的有序变体,但我们无法阐明其晶体结构。” 现在,他的团队已经成功地使用金标准进行结构确定。
晶体结构解析
为了澄清晶体结构,必须克服基本的技术障碍。在使用中子衍射的研究中,有必要用氘代替水中的轻氢。Loerting说:“不幸的是,这也改变了制冰过程中订购的时间范围。”
“但是,博士生托比亚斯·加瑟有了一个至关重要的想法,那就是在重水中添加百分之几的普通水-事实证明,这极大地加快了订购速度。” 通过这种方式获得的冰,因斯布鲁克的科学家终于能够在英国卢瑟福·阿普尔顿实验室的高分辨率HRPD仪器上测量中子数据,并努力解决了XIX冰的晶体结构。
这就需要从测量的数据中找出数千个候选晶体中的最佳晶体结构,就像在大海捞针中寻找针一样。日本研究小组在不同压力条件下的另一项实验中证实了因斯布鲁克的结果。这两篇论文现已联合发表在自然交流。
在因斯布鲁克发现了六种冰形式
尽管地球上有大量常规冰雪,但是在我们的行星表面上没有发现其他形式-除了研究实验室。但是,高压形态的冰VI和冰VII被发现是钻石中的夹杂物,因此被国际矿物学协会添加到矿物列表中。在特殊的压力和温度条件下,在广阔的空间中会形成许多种类的水冰。例如,它们发现于天体上,如木星的月亮木卫三,上面覆盖着不同种类的冰。
Ice XV和ice XIX代表了冰物理学中的第一个兄弟对,其中氧晶格相同,但是氢原子的排列方式却不同。“这也意味着,现在第一次有可能在实验中实现两种有序冰晶之间的转换,” Thomas Loerting很高兴地报告。自1980年代以来,奥地利因斯布鲁克大学的研究人员现在负责发现四种晶状和两种非晶态冰形式。
目前的研究工作是在因斯布鲁克大学材料与纳米科学研究平台的框架内进行的,并得到了奥地利科学基金会FWF的资助。
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