Открыта ранее неизвестная форма льда
Не весь водяной лед одинаковый. Запертые внутри него молекулы значительно различаются в зависимости от давления и температуры, при которых они образуются. Науке были известны 18 различных фаз льда, одни из которых возникают естественным образом, а другие наблюдаются только в лабораторных условиях.
Три года назад группа исследователей изменила одну из уже существующих ледяных структур, преобразовав ее в форму, которую они назвали льдом β-XV. Недавно члены этой команды определили его точную кристаллическую структуру, ответив на вопросы о том, как она образуется, и дали ей обозначение лед XIX.
Это открытие может помочь нам лучше понять, как лед образуется и ведет себя в инопланетных условиях, сильно отличающихся от земных.
Лед, который вы видите в морозильной камере или падающим с неба в виде градин, является наиболее распространенным естественным льдом на Земле. Он называется лед I, и атомы кислорода внутри него расположены в гексагональной сетке. Однако структура геометрически нарушена, атомы водорода гораздо более неупорядочены.
Когда лед I охлаждается определенным образом, атомы водорода могут периодически упорядочиваться в дополнение к атомам кислорода. Так ученые в лаборатории могут создавать различные фазы льда, которые имеют гораздо более упорядоченные кристаллические решетки молекул, чем их «родительские» формы.
Группа физиков-химиков из Университета Инсбрука в Австрии некоторое время работала с фазой льда VI. Это одна из форм вещества, которую можно встретить в природе, но только при очень высоком давлении, в 10000 раз превышающим атмосферное давление на уровне моря (около 1 гигапаскаль). Такие условия можно встретить в мантии Земли или на Титане.
Как и лед I, лед VI относительно неупорядочен. Его более изящная форма, лед XV, была открыта только около десяти лет назад. Она создается путем охлаждения льда до температуры ниже -143 градусов по Цельсию при давлении около 1 гигапаскаль.
Несколько лет назад, изменив этот процесс, исследователи создали еще одну фазу льда. Они замедлили охлаждение и установили его на отметке -170 по Цельсию, а давление повысили до 2 гигапаскалей. Эти меры заставили молекулы водорода расположиться в уникальном порядке, который был назван льдом β-XV.
Подтверждение того, что этот лед был именно отдельной фазой, было отдельным препятствием, требующим замены обычной воды на «тяжелую». У обычного водорода в ядре нет нейтронов, а тяжелая вода основана на дейтерии — изотопе водорода, в ядре которого находится один нейтрон.
Чтобы определить порядок атомов в кристаллической решетке, ученым необходимо рассеять нейтроны от ядер, чтобы обычные атомы водорода не мешали процессу. «К сожалению, это также меняет временные рамки процесса производства льда», — пояснил химик Томас Лоэртинг из Университета Инсбрука. Однако ученые нашли выход из ситуации, добавив несколько процентов обычной воды в тяжелую воду, что, как оказалось, значительно ускорило процесс анализа.
Это позволило команде получить нейтронные данные, необходимые для построения кристаллической структуры. Как они и думали, новый лед отличался от льда XV, что дало исследователям право официально назвать его девятнадцатой фазой — лед XIX.
Теперь у ученых есть первая в мире пара разных форм льда, у которых в решетке совпадает положение атомов кислорода, но не водорода. В будущем они хотят попытаться осуществить переход из одной фазы в другую, какой может иметь место в отдаленных уголках космоса.
Чтобы получить новый лед-XIX, всего-то и нужно пару гигапаскалей давления и чудовищный холод!