Вчені, які б’ють звичайну заморожену воду в банці з ультрахолодними сталевими кульками, виявили раніше невідому форму льоду, ближчу до рідкої води, ніж будь-який інший лід.
Це аморфний лід, який не зустрічається в природі на Землі. Це тому, що його атоми впорядковані не в акуратному повторюваному кристалічному візерунку, а в перемішаному вигляді, у вигляді атомної багатошаровості.
Але аморфний лід, отриманий в результаті експериментів команди, процес, який називається кульовим млином, не схожий на будь-який аморфний лід, який будь-коли бачили.
Аморфний лід зазвичай має низьку щільність, близько 0,94 грама на кубічний сантиметр, або високу щільність, починаючи з 1,13 грама на кубічний сантиметр. Новий лід має щільність 1,06 грама на кубічний сантиметр, що неймовірно близько до щільності води – 1 грам на кубічний сантиметр.
Дослідники під керівництвом хіміка Олександра Росу-Фінсена, колишнього співробітника Університетського коледжу Лондона у Великобританії, назвали нову форму аморфним льодом середньої щільності (MDA).
«Вода є основою всього життя. Наше існування залежить від неї, ми запускаємо космічні місії для її пошуку, але з наукової точки зору це погано вивчено», — каже хімік Крістоф Зальцманн з Університетського коледжу Лондона.
«Ми знаємо про 20 кристалічних форм льоду, але раніше було виявлено лише два основних типи аморфного льоду, відомі як аморфний лід високої щільності та аморфний лід низької щільності. Між ними існує величезна різниця в щільності, і загальноприйнятою думкою є те, що у цьому проміжку щільності немає льоду», — пояснює Зальцманн.
«Наше дослідження показує, що щільність MDA знаходиться саме в межах цього розриву щільності, і це відкриття може мати далекосяжні наслідки для нашого розуміння рідкої води та її багатьох аномалій».
Вода, не ходячи навколо куща, просто дивна. Оскільки він настільки всюдисущий і необхідний для нашого виживання, ми не схильні багато думати про нього, але він не дотримується тих самих правил, що й інші рідини.
Це універсальний розчинник; тобто в ньому дуже легко розчиняються багато інших речовин. Його поверхневий натяг надзвичайно високий порівняно з іншими рідинами, як і температура кипіння.
І його щільність в умовах охолодження є, мабуть, найдивнішою з усіх: коли більшість рідин замерзає, їх щільність зростає. Вода робить навпаки: вона стає менш щільною, тобто водяний лід, як правило, менш щільний, ніж вода. Ось чому кубики льоду плавають у вашому напої.
Але не весь лід створюється однаково. Тут, на Землі, лід природним чином приймає кристалічну форму, а його атоми розташовані у повторюваному шестикутному візерунку. Тому сніжинки, як правило, шестикутні. Однак у майже вакуумі космосу лід зазвичай аморфний, тому що атоми не зберігають достатньо теплової енергії, щоб зміщуватися в кристалічну структуру.
Різниця в щільності аморфного льоду була досить фундаментальною для нашого розуміння води. Фактично, попередні дослідження та моделювання показали, що поділ може означати, що вода існує як дві окремі рідини при дуже низьких температурах, навіть співіснуючи, як нафта та вода, а не змішуються за відповідних умов. Гей, вода робила й дивніші речі.
Але потім Розу-Фінсен і його колеги потрапили до сталевих кульок. Кульове подрібнення – це промислова техніка, яка використовується для подрібнення або змішування матеріалів. Дослідники використовували рідкий азот, щоб охолодити глечик до -200 градусів за Цельсієм (-328 градусів за Фаренгейтом), додали звичайний водяний лід і збовтали речі.
«Ми довго трусили лід, як божевільні, і зруйнували кристалічну структуру», — пояснює Росу-Фінсен . «Замість того, щоб закінчити з меншими шматочками льоду, ми зрозуміли, що ми придумали абсолютно новий тип речі з деякими чудовими властивостями».
Що означають ці властивості, поки не зовсім зрозуміло. Дослідники припускають, що MDA може бути «склоподібним» станом рідкої води. Хоча аморфний лід не утворюється в природі, існують інші аморфні тверді речовини; скло є одним із них, і це просто тверда форма рідкого діоксиду кремнію. Але MDA також може бути просто сильно зрізаним кристалічним льодом.
Це свідчить про те, що наші існуючі моделі води необхідно переглянути, щоб з’ясувати, де MDA вписується в картину. Але він уже є перспективним для пояснення деяких способів поведінки водяного льоду у Всесвіті.
Дослідники експериментували, щоб побачити, що відбувається, коли MDA рекристаллізується, стискаючи його та нагріваючи. Вони виявили, що цей процес вивільняє дивовижну кількість енергії, що свідчить про те, що MDA може відігравати певну роль у тектонічній активності на вкритих льодом світах, таких як супутник Юпітера Ганімед .
І це відкриття також демонструє потенціал для майбутніх експериментів і досліджень особливих властивостей води.
«Ми показали, що можна створити воду, схожу на стоп-моушн», — каже хімік Андреа Селла з Університетського коледжу Лондона.
«Це несподівана і досить дивовижна знахідка».
