Наука

Вчені створили новий дивний тип льоду

1

Використовуючи ультранизькі температури та деякі сталеві шарикопідшипники, вчені створили абсолютно нову, дивну форму льоду, яка має таку ж щільність, як рідка вода. Лід, відомий як аморфний лід середньої щільності, вписується в прогалину в анналах замерзлої води, яку вчені не були впевнені, що коли-небудь буде заповнена. На відміну від кристалічного льоду, який природним чином утворюється на Землі, новостворений лід не має організованої молекулярної структури. 

Натомість його молекули перебувають у хаотичній невідповідності, більше схожій на скло — стан, відомий як аморфний. Інші типи аморфного льоду створювали раніше, але вони були або набагато менш щільними, або набагато щільнішими, ніж рідка вода. Ця нова версія аморфного льоду Золотовласка знаходиться прямо посередині, майже точно відповідає щільності рідкої води, пояснили дослідники в новому дослідженні, опублікованому в журналі Science 2 лютого.

«Це щось абсолютно нове», — сказав старший автор дослідження Крістоф Зальцманн, професор фізичної хімії та хімії матеріалів в Університетському коледжі Лондона.

Шліфування льоду

Коли лід нормально замерзає на Землі, його молекули складаються в організовану кристалічну структуру. Цей кристалічний лід є однією з дивних особливостей H2O, тому що він плаває на рідкій воді у твердому стані, а не тоне. Це пов’язано з відносно великими проміжками в кристалічній структурі водяного льоду порівняно з іншими матеріалами, які утворюють більш щільні структури під час кристалізації. 

Однак при належному поводженні рідка вода також може замерзнути в дезорганізованому, аморфному стані. Перший із цих станів, аморфний лід низької щільності, був відкритий у 1930-х роках. Він виготовляється шляхом нанесення водяної пари на дуже холодні поверхні. Цей процес відбувається природним чином у космосі, сказав Зальцманн, тому аморфний лід низької щільності може бути найпоширенішою формою льоду у Всесвіті. 

У 1980-х роках дослідники виявили, що вони також можуть робити аморфний лід високої щільності, стискаючи звичайний лід за дуже низьких температур. Але ніхто ніколи не виготовляв аморфний лід із середньою щільністю — тобто до тих пір, поки Зальцману та його колегам не спала на думку «божевільна ідея в п’ятницю вдень». Вони вирішили спробувати подрібнити лід. 

Кульовий млин — це пристрій на зразок дуже вдосконаленого шейкера для коктейлів. Матеріал поміщають у камеру з кульками з нержавіючої сталі та струшують або перевертають, поки матеріал не подрібниться. Кульове подрібнення використовується в багатьох галузях промисловості, але воно особливо добре для створення аморфних матеріалів і для подрібнення м’яких, заморожених матеріалів у порошки, сказав Зальцманн. 

«Ми сказали: «Чому б нам не розтопити лід у кульовому млині й подивитися, що станеться?», — сказав Зальцманн.

Дивні властивості

Дослідники очікували, що кульовий млин просто розіб’є кристали льоду на менші кристали льоду. Але не так сталося. Натомість сталеві кулі, що перекидалися, розрізали й стискали кристали льоду, штовхаючи їх у новий стан дезорганізації. Результат? Аморфний лід середньої щільності.

Комп’ютерне моделювання показало, що лід спочатку має гарний кристалічний стан, його водневі зв’язки утворюють гексагональну решітку. Випадковий зсув у кульовому млині штовхає ці водневі зв’язки туди-сюди, залишаючи їх спрямованими вгору-вниз хаотичним зигзагом.

Нова форма льоду утворюється при температурі 77 кельвінів, або мінус 321 градус за Фаренгейтом (мінус 196 градусів Цельсія). Він має деякі дивні властивості, крім його щільності 1,06 грама на кубічний сантиметр (0,037 унції на 0,06 кубічного дюйма). (Вода має щільність 1 грам на кубічний сантиметр, або 0,035 унції на 0,06 кубічного дюйма.) Серед них, за словами Зальцманна, є те, що коли дослідники стиснули лід середньої щільності та нагріли його до мінус 185 F (мінус 120 C) лід перекристалізувався, виділяючи велику кількість тепла.

«З іншими формами [аморфного] льоду, якщо ви стискаєте їх і скидаєте тиск, ніби нічого не сталося», — сказав Зальцманн. «Але MDA [аморфний лід середньої щільності] якимось чином має цю здатність зберігати механічну енергію та вивільняти її через нагрівання».

Зальцман сказав, що аморфний лід середньої щільності може виникати природним чином на крижаних супутниках планет-гігантів, де гравітаційні сили величезних світів стискають і розсікають лід супутників. Якщо це так, механічна енергія, що зберігається в цій формі льоду, може вплинути на тектоніку цих супутників, схожих на Хота.

Розуміння аморфного льоду середньої щільності також може допомогти дослідникам краще зрозуміти рідку воду в більш загальному плані, сказав Зальцманн. Вода дивна не тільки тому, що її кристалічна форма плаває, але й тому, що вона має інші унікальні властивості, як-от високий поверхневий натяг і високі точки плавлення та кипіння. Вчені досі сперечаються про природу води при надзвичайно низьких температурах. Будь-які дебати зараз повинні брати до уваги аморфний лід середньої щільності, сказав Зальцманн.

1 Comment

  1. … [Trackback]

    […] Info on that Topic: portaltele.com.ua/news/nauka/vcheni-stvoryly-novyj-dyvnyj-typ-lodu.html […]

Comments are closed.