Вчені з Корейського дослідницького інституту стандартів і науки (KRISS) створили нову унікальну форму води -"теплий лід"
Вчені вперше створили унікальну форму льоду, яка утворюється не при холоді, а під надвисоким тиском за кімнатної температури, повідомляє видання Eurekalert.
Цей прорив призвів до першого у світі відкриття раніше невідомого шляху кристалізації води та нової 21-ї фази льоду, яка отримала назву Лід XXI.
Хоча лід зазвичай утворюється, коли вода охолоджується нижче 0 °C, він також може утворюватися за кімнатної температури або навіть за підвищених температур вище точки кипіння. Це пояснюється тим, що кристалізація — процес перетворення рідини на тверду речовину — залежить не лише від температури, а й від тиску. За кімнатної температури вода під тиском понад 0,96 ГПа зазнає фазового переходу в кристали льоду, тобто лід VI.
Коли вода замерзає, мережа водневих зв’язків між молекулами води стає складно спотвореною та перебудовується залежно від температури та тиску, що призводить до появи різноманітних фаз льоду під час процесу кристалізації.
Глибше розуміння цих складних фазових переходів та механізмів структуроутворення між водою та льодом, а також здатність контролювати їх в умовах екстремального тиску та температури, може призвести до створення нових матеріалів, яких раніше ніколи не було на Землі.
Протягом останнього століття дослідники з усього світу визначили 20 різних фаз кристалічного льоду, змінюючи температуру та тиск.
Лід XXI
Вчені стиснули воду до тиску у 20 000 разів більшого за атмосферний (близько 2 гігапаскалів), усього за 10 мілісекунд при кімнатній температурі. Для цього вчені використали алмазні комірки з ковадлом (DAC) — це пристрій, що дозволяє стискати речовини до екстремальних умов. Під час експерименту команда фіксувала зміни структури води за допомогою найпотужніших рентгенівських установок у світі, а саме Європейського XFEL та PETRA III. Ці установки дозволяють знімати зображення з точністю до однієї мікросекунди, що еквівалентно мільйонній частці секунди.
Отриманий “теплий лід” має тетрагональну структуру, тобто форму з симетричними прямими кутами, і складається з 152 молекул води у кожній елементарній комірці. Його молекули надщільно упаковані, що пояснює, чому він формується за температури, за якої звичайна вода залишається рідкою. “Швидке стиснення води дозволяє їй залишатися рідкою до вищих тисків, де вона вже мала б кристалізуватися. Структура, у якій кристалізується H2O, залежить від ступеня надстиснення”, — розповів співавтор дослідження Кин Ву Лі.
Як пояснюють науковці, дослідження льоду під високим тиском допомагає зрозуміти не лише поведінку води, а й процеси, що відбуваються всередині планет і супутників. Наприклад, схожі фази льоду можуть існувати в надрах Нептуна, Урана або крижаних супутників Юпітера.
Доктор Лі Юн-Хі заявив: «Щільність Ice XXI порівнянна з щільністю шарів льоду високого тиску всередині крижаних супутників Юпітера та Сатурна. Це відкриття може дати нові підказки для дослідження походження життя в екстремальних умовах у космосі».
“Наші результати свідчать, що може існувати більша кількість високотемпературних метастабільних льодових фаз та пов’язаних з ними перехідних шляхів, що потенційно пропонує нове розуміння складу крижаних супутників“, – сказала співавторка дослідження Рейчел Газбенд.
Доктор Лі Гин Ву заявив: «Поєднавши нашу розроблену власними силами технологію dDAC з XFEL, ми змогли зафіксувати швидкоплинні моменти, які були недоступні за допомогою звичайних інструментів. Подальші дослідження надвисокого тиску та інших екстремальних середовищ відкриють нові горизонти в науці».
