Водяной лед имеет множество кристаллических фаз, а также некоторые аморфные структуры - последние очень редки на Земле, но в изобилии встречаются в космосе. Британские исследователи обнаружили новый тип аморфного льда со средней плотностью, очень близкой к плотности жидкой воды. Это открытие может иметь далеко идущие последствия для нашего понимания жидкой воды и ее многочисленных аномалий.
Команда использовала процесс, называемый шаровой фрезеровкой, для получения льда с новой плотностью и структурой. Техника заключается в энергичном встряхивании обычного льда, смешанного с шариками из нержавеющей стали, охлажденными до очень низкой температуры (-200 °C) с помощью жидкого азота. Неожиданно исследователи получили не маленькие фрагменты обычного льда, а новую форму аморфного льда - характеризующуюся неупорядоченной молекулярной структурой.
Хотя он выглядел как лед, эта аморфная форма имела почти такую же плотность, как и жидкая вода (1,06 г/см3). Команда назвала его "аморфным льдом средней плотности" или льдом MDA. "Мы знаем о 20 кристаллических формах льда, но только два основных типа аморфного льда были обнаружены ранее, известные как аморфный лед высокой и низкой плотности", — объясняет профессор Кристоф Зальцманн, сотрудник химического факультета Университетского колледжа Лондона и соавтор
Аморфные льды управляют рядом космологических процессов и потенциально являются ключевыми материалами для объяснения аномалий жидкой воды. Оказывается, вода обладает довольно загадочными свойствами. Например, максимальная плотность достигается при температуре 4 °C, а в твердом состоянии при замерзании она становится менее плотной (это объясняет, почему лед плавает на воде). Более того, чем выше давление, оказываемое на жидкую воду, тем легче она сжимается - вопреки принципам, действующим в отношении большинства других веществ.
Аморфный лед низкой плотности был открыт в 1930-х годах, когда ученые сконденсировали водяной пар на металлической поверхности, охлажденной до -110 °C; этот процесс происходит естественным образом в космосе, поэтому он может быть самой распространенной формой льда во Вселенной. Аморфный лед высокой плотности был обнаружен в 1980-х годах, когда обычный лед был сжат при очень низкой температуре (около -200 °C).
Разница в плотности между этими двумя основными типами аморфного льда такова, что до сих пор было принято считать, что между этими двумя крайними точками не может существовать льда. Так, ученые считали, что при очень низких температурах вода существует в виде двух жидкостей, которые при определенной температуре могут сосуществовать, одна плавая поверх другой (как, например, в смеси воды и масла).
Эта теория, основанная на компьютерном моделировании, никогда не была доказана экспериментально. Вид льда промежуточной плотности, полученный с помощью шаровой мельницы, ставит эту идею под сомнение. "Существующие модели воды должны быть перепроверены", — говорит Зальцманн, поскольку теперь они должны учитывать существование льда MDA.
Вероятное присутствие на ледяных спутниках Солнечной системы
Недавно обнаруженный лед, имеющий форму белого гранулированного порошка, может быть настоящим стеклообразным состоянием жидкой воды, другими словами, точной копией жидкой воды в твердой форме - точно так же, как стекло является твердой формой жидкого диоксида кремния. Возможно также, что лед MDA - это не стеклообразное состояние, а сильно сдвинутое кристаллическое состояние.
Имитируя процедуру шаровой мельницы путем повторяющегося случайного сдвига кристаллического льда, команда также создала компьютерную модель льда MDA, чтобы лучше понять его странную атомную структуру. Модель показывает, что лед изначально находится в кристаллическом состоянии, в котором водородные связи образуют гексагональную решетку; затем сдвиг, вызванный стальными шариками, заставляет эти связи смещаться вперед и назад, пока они не образуют более хаотичное целое. "Наше открытие льда MDA поднимает множество вопросов о природе жидкой воды", — говорит доктор Майкл Дэвис, который занимался компьютерным моделированием.