Regularny lód bez defektów

Lód to bardzo powszechny składnik naszej planety, ale czy wiedzieliście, że ma sporo defektów w sieci krystalicznej? Naukowcy pod przewodnictwem Leonardo del Rosso odkryli niedawno sposób na syntezę dużych ilości całkowicie regularnego lodu bez takich błędów.


Regularny lód bez defektów

Lód to minerał złożony z cząsteczek monotlenku diwodoru, czyli po prostu wody. Jak wiadomo, topnieje on przy 273,15K (0°C). Poniżej tej temperatury istnieje w formie ciała stałego, ale czy na pewno tylko jednego ciała stałego?

Nie. Istnieje aż 19 różnych typów lodu. Pierwszą z nich jest lód amorficzny, który nie posiada struktury krystalicznej — powstaje on po szybkim schłodzeniu wody, ponieważ wtedy cząstki nie mają czasu, by uformować sieć krystaliczną.
Lód Ih, który jest zresztą najszerzej rozpowszechniony na Ziemi, charakteryzuje heksagonalna budowa komórki elementarnej. Ic z kolei ma strukturę regularną tak samo jak lód VII, VIII, X. Formę heksagonalną przybierają rodzaje II, IV i XVII. Lód XI i XIV mają układ rombowy. Budową tetragonalną z kolei charakteryzują się formy III, VI, IX oraz XII. Ostatnią klasyczną strukturą krystaliczną jest układ jednoskośny, który posiada lód V i XIII.

Sieci krystaliczne różnych typów lodu I w lodzie Isd, źródło: del Rosso, L., Celli, M., Grazzi, F. et al.

Pozostałe klasy tego minerału trzeba omawiać indywidualnie.

Lód XVI i XVII posiadają strukturę podobną do piłki futbolowej złożonej z aż 136 cząsteczek wody na pojedynczą komórkę. Jest to struktura topologicznie analogiczna do klatratów. Rodzina lodu I, mimo różnic w strukturze monowarstwy u poszczególnych przedstawicieli, składa się z wielu warstw cząsteczek wody połączonych wiązaniami wodorowymi (rodzaj oddziaływań międzycząsteczkowych, gdzie dodatnio naładowany atom wodoru oddziałuje elektromagnetycznie z dodatnio naładowanym atomem tlenu, azotu lub fluoru, przy czym nie występuje uwspólnienie ani wymiana elektronów, więc nie jest to stricte wiązanie chemiczne, a jedynie rodzaj oddziaływań), a różnice w strukturze krystalicznej wynikają z przestrzennego ułożenia tych warstw — w Ic są ułożone bezpośrednio jedna nad drugą, w Ih są to na zmianę odbicia lustrzane kolejnych warstw. Lód Ih tworzy sześcioramienne płatki śniegu, Isd (stacking disordered ice) tworzy płatki trójkątne.

Przykładowy kryształ lodu Ih, autor: Alexey Kijatov

Naukowcy z Consiglio Nazionale delle Ricerche w uzyskali w pełni regularny kryształ lodu D2O Ic z lodu D2O XVII

D to deuter — stabilny izotop wodoru zawierający w jądrze 1 proton i 1 neutron, co czyni go dwa razy cięższym od protu, który jest o wiele szerzej rozpowszechnioną odmianą tego pierwiastka. Udało im się zbadać kinetykę transformacji w spektroskopii IR i doszli do wniosku, że wykres częstotliwości (OH-stretching band) jest funkcją temperatury i czasu. Według samych badaczy odkrycie to przybliża fizyków do pełnego zrozumienia polimorfizmu lodu I, a uzyskanie dużych ilości lodu o w 100% regularnej strukturze daje duże możliwości w dalszych badaniach podstawowych na temat lodu.


Źródła:

Del Rosso, L., Celli, M., Grazzi, F. et al. Cubic ice Ic without stacking defects obtained from ice XVII. Nat. Mater. 19, 663–668 (2020). Cubic ice Ic without stacking defects obtained from ice XVII

Salzmann, C.G., Murray, B.J. Ice goes fully cubic. Nat. Mater. 19, 586–587 (2020). Ice goes fully cubic

Hexagonal ice (ice Ih)

Cubic ice (ice Ic) structure

Stacking disordered ice; Ice I sd

Ice Sixteen and other ultra low-density ices

Ice-seventeen (ice XVII)

Ice-eighteen (Ice XVIII)

Ice VI (ice-six)

Ice II (ice-two)

Ice III (ice-three)

Ice IV (ice-four)

Ice V (ice-five)

Ice VII (ice-seven)

Ice VIII (ice-eight)

Ice IX (ice-nine)

Ice X (ice ten)

Ice XI (ice-eleven)

Ice XII (ice-twelve)

Ice XIII (ice-thirteen)

Ice XIV (ice-fourteen)

Ice XV (ice-fifteen)

IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version:  (2006–) "heavy water". doi:10.1351/goldbook.H02758

Zdjęcie tytułowe: https://www.flickr.com/photos/donkom/25160855507/in/photostream/

Zdjęcie to przedstawia naturalny kryształ lodu Isd