Неизвестные Фазы Льда: Открытие Льда XXI
Как учёные находят новые формы льда в разных условиях
Для материала, который настолько обыденен в нашей повседневной жизни, существует удивительно длинный список вопросов, на которые учёные еще не нашли ответов о льде — твёрдой форме воды, которая видна в охлаждённом кофе, на заснеженных вершинах и, конечно, на внеземных поверхностях. Учёные продолжают находить совершенно новые виды льда, добавляя элементы загадочности в вопросы о том, как лед формируется в различных условиях.
В недавней статье в журнале Nature Materials команда учёных под руководством Корейского исследовательского института мер и стандартов (KRISS) сообщила об открытии льда XXI — совершенно новой фазы льда, образующейся при быстром сжатии воды в условиях комнатной температуры. Удивительно, что эта форма льда появляется в диапазоне давления, соответствующем льду VI — ранее известной форме льда, предполагаемой внутри ледяных спутников, таких как Титан и Ганимед.
Ледяные пути
С химической точки зрения, вода, несмотря на простоту своих элементов, водорода и кислорода, может формировать удивительно разнообразные кристаллические структуры. До сих пор учёные открыли 20 различных структур чистого льда; как указывает римский номер, лед XXI стал 21-ой.
«Существует много вопросов о том, как такой простой материал может создавать множество разных кристаллических фаз», — отметил Гын У Ли, старший автор исследования и исследователь из KRISS. Поэтому учёные стремятся «понять детальные пути кристаллизации воды в лёд.»
Для обнаружения этих форм льда учёные экспериментируют с различными температурами и давлениями, определяя различные «пути», по которым молекулы воды могут выстраиваться в лёд. В ходе эксперимента команда открыла «скрытый» путь в регионе, где формируется лед VI.
«Быстрое сжатие воды позволяет ей оставаться жидкой вплоть до более высоких давлений, где она уже должна была бы закристаллизоваться в лед VI», — объяснил Ли в заявлении DESY. По этому пути к VI лед XXI формируется как метастабильная структура — это означает, что он находится в сложном равновесии между одной фазой и другой и существует некоторое время, хотя другая форма льда была бы более стабильной при этих условиях.
Выступление гигантских рентгенов
В ходе эксперимента учёные изготовили две ячейки с алмазными наковальнями — устройство, напоминающее мощные щипцы, способное создавать экстримальные давления до двух гигапаскалей, что в 20,000 раз превышает нормальное атмосферное давление. Когда команда неоднократно сжимала и разжимала молекулы воды в ячейках, гигантские рентгеновские лазеры на Европейском XFEL фиксировали каждую микросекунду изменений внутри льда.
Затем они использовали ПЕТРА III, ускоритель частиц в DESY, для определения точной структуры льда XXI: тетрагонального кристалла, состоящего из больших, повторяющихся единиц, не похожих ни на одну из известных фаз льда.
«Наши находки указывают на то, что может существовать большее количество метастабильных фаз льда при высоких температурах и переходные процессы, связанные с ними», — добавила Рейчел Хасбенд, соавтор исследования и физик из Центра DESY в Германии. Дальнейшие исследования могут предложить «новые взгляды на состав ледяных спутников», сказала она.
«Вода — один из самых загадочных материалов во Вселенной», — добавил Ли. «Почему такие простые два элемента создают множество различных фаз? Мы думаем, что всё еще существуют разные, [неизвестные] формы ледов — когда мы говорим 'неизвестные', мы имеем в виду не открытые еще, но они могут существовать.»
