Вода имеет более 20 кристаллических фаз, и исследователи продолжают искать новые варианты её структуры. Одной из таких фаз является аморфный лёд, который не имеет повторяющейся кристаллической решётки. Считается, что при низких температурах и давлениях возникают три основные разновидности аморфного льда: низкоплотный (LDA), высокоплотный (HDA) и обнаруженный недавно среднеплотный (MDA).
Группа под руководством Ингрид Де Алмейда Рибейру из Molinero Research Group (Университет Юты, кафедра химии) при участии учёных из Argonne National Laboratory (Иллинойс) исследовала, каким образом механическое воздействие и сдвиговые силы влияют на формирование нового типа льда. Работу возглавляла профессор Валерия Молинеро, один из ведущих специалистов в области льда. Результаты были опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Известно, что у LDA каждый молекулярный узел окружён примерно четырьмя соседями, у HDA — от пяти до шести. При этом плотность низкоплотного льда сопоставима с обычным кристаллическим льдом, а высокоплотный вариант примерно на 25% плотнее. Жидкая вода плотнее обычного льда на 9%, однако достичь плотности HDA в воде можно только при давлении около 3000 атмосфер. Новая среднеплотная форма (MDA) занимает промежуточное положение и стала ключевым открытием при испытаниях с механическим помолом.
Кристаллическая форма льда отличается периодичностью расположения молекул, напоминая ряды кресел в кинотеатре, тогда как аморфная структура похожа на толпу на фестивале: единый порядок отсутствует, и каждая молекула воды «расположена» непредсказуемо. Считается, что такой лёд напоминает стекло, поскольку в нём отсутствуют упорядоченные кристаллические узлы — это застывшая масса, утратившая способность к течению.
Для получения MDA использовали метод механического помола, при котором образец льда и стальные шары помещают в запечатанную ёмкость при 77 K (–321 °F). Интенсивная встряска вызывает сжатие, растяжение и сдвиг, препятствуя переходу льда в стабильные кристаллические структуры. Так в обход жёстких термодинамических условий удалось получить среднеплотный аморфный лёд, ранее недоступный прямыми методами.
Компьютерное моделирование в Центре высокопроизводительных вычислений Университета Юты с системой до четырёх миллионов молекул воды показало, что даже при сдвиге с частотой около ста миллионов раз в секунду лёд LDA или HDA может переходить в MDA. Оказалось, что среднеплотный лёд может образовываться не только из кристаллического, но и из любого другого аморфного варианта.
Астробиологи указывают, что подобный лёд может существовать на спутниках Юпитера и Сатурна—например, на Европе и Энцеладе—где низкие температуры и небольшое давление создают условия, близкие к лабораторным экспериментам. Предполагается, что аморфная форма воды может встречаться во Вселенной чаще, чем кристаллическая, а аналогичные переходы можно наблюдать и в других материалах со схожими локальными структурами (кремний, диоксид кремния и углерод). «Хотя механический помол активно применялся для обработки материалов, данное исследование впервые предлагает целостный взгляд, в котором сдвиг рассматривается как новый управляющий параметр диаграммы состояния вещества, — подход, который можно распространить на многие другие материалы», — отмечает Ингрид Де Алмейда Рибейру.
Изображение носит иллюстративный характер
Группа под руководством Ингрид Де Алмейда Рибейру из Molinero Research Group (Университет Юты, кафедра химии) при участии учёных из Argonne National Laboratory (Иллинойс) исследовала, каким образом механическое воздействие и сдвиговые силы влияют на формирование нового типа льда. Работу возглавляла профессор Валерия Молинеро, один из ведущих специалистов в области льда. Результаты были опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Известно, что у LDA каждый молекулярный узел окружён примерно четырьмя соседями, у HDA — от пяти до шести. При этом плотность низкоплотного льда сопоставима с обычным кристаллическим льдом, а высокоплотный вариант примерно на 25% плотнее. Жидкая вода плотнее обычного льда на 9%, однако достичь плотности HDA в воде можно только при давлении около 3000 атмосфер. Новая среднеплотная форма (MDA) занимает промежуточное положение и стала ключевым открытием при испытаниях с механическим помолом.
Кристаллическая форма льда отличается периодичностью расположения молекул, напоминая ряды кресел в кинотеатре, тогда как аморфная структура похожа на толпу на фестивале: единый порядок отсутствует, и каждая молекула воды «расположена» непредсказуемо. Считается, что такой лёд напоминает стекло, поскольку в нём отсутствуют упорядоченные кристаллические узлы — это застывшая масса, утратившая способность к течению.
Для получения MDA использовали метод механического помола, при котором образец льда и стальные шары помещают в запечатанную ёмкость при 77 K (–321 °F). Интенсивная встряска вызывает сжатие, растяжение и сдвиг, препятствуя переходу льда в стабильные кристаллические структуры. Так в обход жёстких термодинамических условий удалось получить среднеплотный аморфный лёд, ранее недоступный прямыми методами.
Компьютерное моделирование в Центре высокопроизводительных вычислений Университета Юты с системой до четырёх миллионов молекул воды показало, что даже при сдвиге с частотой около ста миллионов раз в секунду лёд LDA или HDA может переходить в MDA. Оказалось, что среднеплотный лёд может образовываться не только из кристаллического, но и из любого другого аморфного варианта.
Астробиологи указывают, что подобный лёд может существовать на спутниках Юпитера и Сатурна—например, на Европе и Энцеладе—где низкие температуры и небольшое давление создают условия, близкие к лабораторным экспериментам. Предполагается, что аморфная форма воды может встречаться во Вселенной чаще, чем кристаллическая, а аналогичные переходы можно наблюдать и в других материалах со схожими локальными структурами (кремний, диоксид кремния и углерод). «Хотя механический помол активно применялся для обработки материалов, данное исследование впервые предлагает целостный взгляд, в котором сдвиг рассматривается как новый управляющий параметр диаграммы состояния вещества, — подход, который можно распространить на многие другие материалы», — отмечает Ингрид Де Алмейда Рибейру.
