Обнаружены экзотические кристаллы льда 19
Ученые определили 19-ю форму водяного льда. Экзотические четырехгранные кристаллы этой редкой разновидности льда, ныне получившей название льда XIX, образуются при сверхнизких температурах и сверхвысоких давлениях.
Он существует только в лабораторных экспериментах, но исследователи говорят, что он раскрывает больше о других формах льда, которые можно найти глубоко в мантии Земли и на очень холодных планетах и лунах.
«Чтобы дать название новой форме льда, нужно выяснить, что именно представляет собой кристаллическая структура», – сказал ведущий исследователь Томас Лоэртинг, профессор физической химии из Университета Инсбрука в Австрии. Это означает выяснение простейшей повторяющейся структуры кристалла, где все атомы расположены внутри этой структуры, и какова симметрия кристаллической структуры, сказал Лоэртинг.
«Только если все это известно, вы можете дать своему льду имя… Лед XIX – теперь название новой ледовой фазы, обнаруженной в нашей работе», – сказал он Live Science в электронном письме.
Статья Лоэртинга и его коллег, описывающая новую форму льда, была опубликована 18 февраля в журнале Nature Communications вместе с исследованием японских ученых, подтвердивших открытие.
Новый лед
Почти каждый знаком с красивым шестигранным разнообразием снежинок, которое отражает шестиугольное расположение атомов кислорода в кристаллах водяного льда, из которых они состоят.
Но обычные шестигранные кристаллы льда – льда I – на самом деле являются лишь одной из его многочисленных форм, известных как полиморфы. И до недавнего времени было официально идентифицировано 18 различных полиморфов водяного льда, хотя на Земле распространен только шестигранный лед. Хотя лед может показаться простым, это сложный материал. Например, только атомы кислорода в молекулах воды шестигранных кристаллов льда образуют гексагональную форму, а их атомы водорода ориентированы вокруг них случайным образом. Это делает лед I «неупорядоченным» или «разорванным» льдом в терминологии льда. Одним из свойств таких неупорядоченных льдов является то, что они могут деформироваться под давлением: «Это причина того, почему ледники текут», – сказал Лоэртинг.
Напротив, атомы водорода в некоторых других полиморфных модификациях льда также имеют свои собственные кристаллические структуры, и в результате их называют «упорядоченными по водороду» или «H-упорядоченными». По его словам, в отличие от неупорядоченных льдов, H-упорядоченные льды очень хрупкие и будут разрушаться, а не деформироваться.
В этих терминах недавно идентифицированная 19-я форма льда – это лед с H-порядком; Фактически, это H-упорядоченная форма неупорядоченного льда, называемого льдом VI, который имеет случайный узор из атомов водорода. А у льда VI также есть еще один H-упорядоченный полиморф, лед XV, в котором атомы водорода выровнены совершенно по-другому.
“Лед VI, лед XV и лед XIX очень похожи по плотности. [because] они имеют одну и ту же сеть атомов кислорода, – сказал Лоэртинг. – Но они различаются положениями атомов водорода. Это первый раз, когда была обнаружена такая взаимосвязь между ледяными полиморфами, и это может позволить экспериментам «изучите переходы между одной формой и другой», – сказал он.
Кристальная структура
Команда Лоэртинга впервые создала лед XIX в своих лабораторных экспериментах три года назад, замедлив процесс охлаждения льда XV примерно до минус 170 градусов по Цельсию (минус 274 градусов по Фаренгейту) и значительно увеличив давление примерно до 2 гигапаскалей. Но детали его кристаллической структуры ускользали от них, пока они не смогли изучить его с помощью процесса, называемого дифракцией нейтронов, который может выявить атомную структуру материала, отразив от него поток нейтронов и изучив полученную дифракционную картину.
В нормальных условиях нейтронная дифракция требует замены воды в образце тяжелой водой, содержащей дополнительные нейтроны. Но чистая тяжелая вода была непрактичной для экспериментов со льдом XIX, потому что она замерзает намного медленнее, сказал Лоэртинг. Прорыв состоял в том, чтобы дозировать тяжелую воду частью обычной легкой воды, получая воду, которая быстро замерзает, но все же допускает дифракцию нейтронов.
Лоэртинг объяснил, что структура водяного льда является ключом к природе водородной связи, которая не совсем понятна. Это также важно для понимания небесных тел, таких как ледяные гиганты Уран и Нептун, а также ледяные луны Юпитера (включая Европу, Ио и Ганимед), где обнаружены некоторые другие ледяные полиморфы.
«В астрофизике очень интересно знать плотность и свойства ледяных фаз, чтобы иметь возможность понять поведение ледяной мантии или ледяных ядер этих небесных тел», – сказал он.
И есть еще много других полиморфов льда. Открытие льда XIX делает шесть ледяных полиморфов, обнаруженных в Университете Инсбрука с 1980-х годов, и Лортинг надеется, что его команда обнаружит и следующий. «Гонка на Ice XX началась вчера, и я надеюсь, что моя исследовательская группа опубликует ее», – сказал он.
В нашем Telegram‑канале вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
