Jää on vikasietoista

Tutkijat ovat ensimmäistä kertaa havainneet monimutkaisia rakenteita jäässä, jotka ovat muodostuneet nanomittakaavassa jäädytetyn nestemäisen veden jäätyessä.

Luulisi, ettei vedessä ole enää mitään yllättävää löydettävää. Loppujen lopuksi tutkijat ovat tutkineet sen ominaisuuksia vuosisatojen ajan.

Mutta Pacific Northwest National Laboratoryn tutkijat raportoivat uudesta löydöstä. Vaikka jää muodostuu täydellisen kuusikulmaisen hilan muotoon, se on yllättävän joustavaa ja muovailtavaa, mikä selittää, miksi jäähän on niin usein jäänyt kaasukuplia.

”Havaitsimme liuenneen kaasun paitsi luovan onteloita jääkiteisiin, myös kulkeutuvan, yhdistyvän muiden kaasukuplien kanssa ja liukenevan – käyttäytymisen, joka on mahdollista vain jään epätavallisen sitoutumisluonteen vuoksi”, sanoo James De Yoreo, tutkimuksen päätutkija. ”Tämä työ avaa täysin uuden mahdollisuuden tutkia jään kiteytymis- ja sulamiskäyttäytymistä mittakaavoilla, joita ei olisi voitu kuvitellakaan vain muutama vuosi sitten.”

Tutkimuksella voi olla syvällisiä vaikutuksia syväjäädytettyjen (kryogeenisten) biologisten kudosnäytteiden säilyttämiseen, jään käyttäytymisen ennustamiseen ilmailun ja ajoneuvojen turvallisuuden kannalta sekä jäätiköiden liikkeiden ymmärtämiseen muiden tutkimusalueiden ohella.

”Jäähän liittyy paljon mysteerejä”, sanoo PNNL:n materiaalitieteilijä Jingshan Du, työn päätekijä. ”Haluamme ymmärtää, miten jää sietää kiteen rakenteellisia epätäydellisyyksiä ja miten loukkuun jääneet kuplat vaikuttavat kiteen mekaanisiin ominaisuuksiin. Nyt meillä on tapa ymmärtää se.”

Tähän mennessä kukaan ei ole pystynyt suoraan havaitsemaan vesimolekyylien muutosta nestemäisestä vedestä jääksi. Tämä johtuu siitä, että yksittäisten atomien tarkasteluun käytetyt tekniikat vaativat olosuhteita, kuten korkeaenergisen säteilyn käyttöä ja kaiken ilman poistamista.

Vaikka tutkijat ovat tuottaneet joitakin kuvia jäästä molekyylitasolla, jää ei heijasta Maan normaaleja jäätymis-sulamis syklejä. Se syntyy äkillisestä jäätymisestä suoraan höyrystä kiinteäksi aineeksi.

Tutkimustulokset osoittivat, että kun nestemäinen vesi muuttuu kiinteäksi jääksi, sen kiderakenteen virheet tai loukkuun jääneet kaasukuplat eivät aiheuta jääkiteelle suurta rasitusta, joka voisi aiheuttaa murtumista. Se sopeutuu virheen läsnäoloon yllättävän helposti verrattuna muihin kiinteisiin aineisiin, kuten metalleihin tai mineraaleihin.

Tutkijat tekivät myös suoria havaintoja jääkiteiden muodostumista ohjaavista geometrioista ja voimista kaikissa mittakaavoissa, mukaan lukien lumihiutaleiden muodostuminen. Vaikka lumi muodostuu vesihöyrystä, ei nestemäisestä vedestä, samat taustalla olevat voimat vaikuttavat.

Kokeellisen ja teoreettisten mallien ennusteiden vertailu vahvisti, että jää on ainutlaatuinen kiinteiden aineiden joukossa vikasietoisuudessaan vaarantamatta jääkiderakenteen eheyttä.

Aiheesta aiemmin:

Nestemäisen veden kahdet kasvot

Tekoälyn voimaa

Miksi aurinko on niin hyvä haihduttamaan vettä