The key purpose of this thesis is to study the structure of metastable water and its transformation into ice upon deep supercooling using x-ray scattering as well as optical microscopy. In all experiments, micrometer-sized water droplets were evaporatively cooled in vacuum and probed either by x-rays or optical illumination. In addition to these, an infrared (IR) heating pulse was employed in one of the experiments to introduce a temperature jump in water droplets and achieve ultrafast calorimetry, which can measure specific heat capacity upon supercooling. The second peak of the structure factor presented a maximum at 236 K. The anomalous decrease in peak positions below 236 K was related to a repeat spacing in the tetrahedral network, associated with the intermediaterange correlations in water. The decrease in temperature makes the paircorrelation function change in a similar manner to that of low-density amorphous ice (LDA), meaning that the structure moves towards a less dense local ordering. This is in consistency with a low-density pentamer-bonded tetrahedral network that shifts continuously towards an LDA structure as it cools down. The x-ray scattering data showed that there is a maximum in the specific heat capacity of water at about 229 K and it increases from 88 J/mol/K at 244 K to 218 J/mol/K at 229 K upon cooling. Homogeneous ice nucleation showed that there is a mechanism of freezing based on the rates at which different frozen stages, i.e., partially frozen, liquid extrusion and fractured droplets, are seen in the microscopic images. Experimental nucleation data at temperatures as low as ∼230 K resulted in a nucleation fitting curve that shows a slower nucleation rate increase upon supercooling. Using self-diffusion data that was experimentally measured through wide-angle x-ray scattering and ultrafast calorimetry, we can assess the interfacial energy as a function of temperature. This resulted in a minimum in interfacial energy at around 236 K. Moreover, within the droplet, ice tends to form different structures after it has nucleated based on where in the droplet it is growing. It was observed that for crystals inside the bulk and close to the center of the droplets, ice crystallizes with hexagonal structure whereas on the surface it crystallizes with stacking-disorder containing a considerable amount of cubic structure. This can come from the fact that planar growth of crystals at the surface breaks down into a faulty structure that needs to accommodate the curvature of the droplet’s surface.

Huvudsyftet med denna avhandling är att studera strukturen av metastabilt vatten och dess omvandling till is vid underkylning med hjälp avröntgenspridning samt optisk mikroskopi. I alla experiment kyldes mikrometerstora vattendroppar genom avdunstning i vakuum och undersöktesantingen med röntgenljus eller genom optisk belysning. Utöver dessa användes en infraröd puls i ett av experimenten för att introducera ett temperaturhopp i vattendropparna och på så sätt uppnå ultrasnabb kalorimetrisom möjliggör att mäta specifik värmekapacitet vid underkylning.Den andra toppen av strukturfaktorn för vatten visade ett maximumvid 236 K. Den abnormala minskningen av toppens position vid temperaturer under 236 K tros vara relaterat till ett upprepande avstånd i dettetraedriska nätverket, associerat med korrelationerna på medellånga avstånd i vatten. Minskningen i temperatur gör att parkorrelationsfunktionenförändras på liknande sätt som för amorf is med låg densitet (LDA), vilketinnebär att strukturen rör sig mot en mindre tät lokal ordning. Detta äri överensstämmelse med ett pentamerbaserat tetraedriskt nätverk med lågdensitet som skiftar kontinuerligt mot en LDA-struktur när temperaturenminskar. Röntgenspridning visade att det finns ett maximum i den specifikavärmekapaciteten för vatten vid cirka 229 K och att den ökar vid kylningfrån 88 J/mol/K vid 244 K till 218 J/mol/K vid 229 K.Homogen isbildning fann olika frysta stadier, nämligen delvis frusnadroppar, vätskeutstötningar och frakturer, vilka sågs i de mikroskopiskabilderna. Experimentella isbildningsdata vid temperaturer så låga som 230K resulterade i en anpassningskurva som visar en långsammare ökning avisbildningshastigheten vid underkylning än tidigare trott. Vi kan uppskattaenergin i gränssnittet mellan is och vätska som funktion av temperatur medhjälp av diffusivitetsdata härledd från den specifika värmekapaciteten sommättes experimentellt med ultrasnabb kalorimetri. Detta resulterade i ettminimum i energin i gränssnittet vid cirka 236 K.Slutligen tenderar is att bilda olika strukturer beroende på var i droppenisen växer. Det observerades att för kristaller nära dropparnas mittpunktkristalliserar is med hexagonal struktur medan på ytan kristalliserar is medavsevärd mängd kubisk struktur. Detta kan bero på att tillväxt av plana kristaller vid ytan resulterar i oordning mellan kristallplanen, eftersomstrukturen måste anpassas till krökningen av droppens yta.