Пранджал Малевар
Обычно мы представляем лед просто как замерзшую воду. Он прост, тверд и холоден. Но вода — мастер маскировки. Всего два атома, водород и кислород, могут замерзнуть, образуя более 20 различных видов льда. Каждый вид имеет свою уникальную внутреннюю структуру. Некоторые из них гладкие и знакомые, как тот, что хранится в морозильной камере, в то время как другие появляются только под сильным давлением, например, в глубинах Земли или на далеких спутниках.
Ученые изучают эти ледяные образования уже более века, не просто из любопытства, а для того, чтобы понять, как вода ведет себя в экстремальных условиях, в том числе в местах, где может существовать инопланетная жизнь.
В одном исследовании ученые обнаружили новый тип льда, обозначенный как лед XIX. Он похож на лед XV, где атомы кислорода расположены так же, но атомы водорода расположены иначе. В другом исследовании сообщалось о фазе льда, называемой льдом VIIt, которая встречается глубоко в мантии Земли или на водных экзопланетах. Первоначально названная VIIt, эта фаза затем была отнесена к другой известной фазе, называемой льдом X.
Ученые из Корейского научно-исследовательского института стандартов и науки (KRISS) обнаружили совершенно новую форму льда: официально она называется льдом XXI, и она не похожа ни на что из ранее существовавшего.
Используя мощную установку, сочетающую алмазные наковальни и рентгеновские лазеры, они наблюдали за поведением сверхсжатой воды при комнатной температуре. Удивительно, но вместо замерзания за один этап вода прошла несколько циклов замерзания-таяния, все в пределах зоны давления, где обычно образуется лед VI. Именно там появился лед XXI.
Что делает его особенным?
Лед XXI обладает уникальной атомной структурой, отличающейся от всех более чем 20 известных типов льда. Кроме того, он метастабилен, то есть может сохраняться некоторое время, даже находясь в нестабильной форме в данных условиях, что позволяет понять, как лед образуется под давлением. Это может помочь нам лучше понять ледяные планеты и глубинные слои Земли.
«Быстрое сжатие воды позволяет ей оставаться в жидком состоянии даже при более высоком давлении, при котором она уже должна была бы кристаллизоваться в лед VI», — объясняет ученый из KRISS Геун Ву Ли.
Ученые создали условия высокого давления, используя алмазные наковальни. Они поместили сверхчистую воду в тончайшую металлическую камеру и, используя сочетание высокоскоростных камер, лазерных датчиков и инструментов мониторинга в реальном времени, наблюдали за замерзанием и таянием воды при комнатной температуре.
Пульсируя повышением и понижением давления, они запечатлели моментальные снимки трансформации, отслеживая изменения структуры, давления и объема с поразительной точностью. Даже флуоресценция крошечных кристаллов рубина помогла измерить давление, а рамановская спектроскопия показала, как молекулы воды «танцуют» внутри.
Чтобы точно определить момент превращения воды в экзотический лед, ученые использовали мощные рентгеновские лучи на синхротроне. Рассеянные рентгеновские сигналы регистрировались детектором Lambda и анализировались с помощью программы DIOPTAS. Ритм давления был скорректирован до неравномерного треугольного рисунка, чтобы лучше соответствовать процессу замерзания.
Два типа детекторов зафиксировали это явление с разной скоростью: один — с высокой частотой 0,56 миллиона раз в секунду, а другой — с более стабильной частотой 10 раз в секунду. Вместе они помогли раскрыть скрытый процесс превращения воды в лед.
Ученые провели моделирование молекулярной динамики, используя две модели: SPCfw45 и TIP4P/Ice46. Модель TIP4P/Ice представляет собой жесткую модель воды: ее молекулярные углы и длины связей остаются неизменными. Она хорошо подходит для льда высокого давления. С другой стороны, модель SPCfw более гибкая, позволяя молекуле воды изгибаться и растягиваться, особенно при образовании искаженных водородных связей, как это наблюдается в льду VI.
Несмотря на то, что одна модель жесткая, а другая гибкая, обе показали схожие тенденции изменения давления воды, и эти тенденции совпали с результатами экспериментов.
Ученые обнаружили, что при сверхсильном сжатии воды при комнатной температуре она не замерзает за один непрерывный цикл. Вместо этого она проходит серию циклов замерзания-таяния, прежде чем принять известную форму, называемую льдом VI. Но внутри этой зоны давления они обнаружили нечто новое: лед XXI. Он образуется при давлении около 1,6 гигапаскалей и имеет объемно-центрированную тетрагональную кристаллическую структуру.
Лед XXI — это нечто необычное: при комнатной температуре он обладает большей энергией, чем MS-лед VII, а значит, менее стабилен. Но разница невелика. Удивительно то, как они трансформируются: только лед XXI может превратиться в MS-лед VII. Обычная вода не может совершить этот скачок. Однако, если смешать воду и MS-лед VII, под давлением оба они превратятся в лед VI.
В ходе эксперимента под высоким давлением с использованием мощных рентгеновских лазеров (XFEL) ученые обнаружили, что вода при замерзании движется не по одному пути: у нее есть как минимум пять различных маршрутов, даже при комнатной температуре.
«Благодаря уникальным рентгеновским импульсам европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL) мы обнаружили множество путей кристаллизации в воде, которая была быстро сжата и разжата более 1000 раз с использованием динамической алмазной наковальни», — объясняет Геун Ву Ли.
Рейчел Хасбенд, еще один член исследовательской группы, добавляет, что «полученные результаты предполагают существование большего числа высокотемпературных метастабильных фаз льда и связанных с ними путей перехода, что потенциально может дать новые представления о составе ледяных лун».
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.
Источник: REFRACTOR
Перевод с английского
Читайте также:
Самая маленькая в мире скрипка помещается внутри одного человеческого волоса
Необыкновенная архитектура нового музея морских котиков в Сан-Диего
Проектор для фар превратит ваш автомобиль в кинотеатр под открытым небом
Coffee Time journal
Твой журнал на каждый день!
