Виявлено нову форму льоду, яка може змінити наше розуміння води

Дослідники з Університетського коледжу Лондона та Кембридзького університету виявили новий тип льоду, який більше нагадує рідку воду, ніж будь-який інший відомий лід, і який може змінити наше розуміння води та її численних аномалій. Нещодавно відкритий лід є аморфним, тобто його молекули знаходяться в дезорганізованій формі, а не акуратно впорядковані, як у звичайному кристалічному льоду.

Аморфний лід, хоч і рідко зустрічається на Землі, є основним типом льоду, який зустрічається в космосі. Це тому, що в більш холодному середовищі космосу лід не має достатньо теплової енергії для утворення кристалів. Для дослідження, опублікованого в журналі Science, дослідницька група використовувала процес, який називається кульовим млином, енергійно струшуючи звичайний лід разом зі сталевими кульками в банці, охолодженій до -200 градусів за Цельсієм.

Вони виявили, що замість того, щоб отримати маленькі шматочки звичайного льоду, процес дав нову аморфну ​​форму льоду, яка, на відміну від усіх інших відомих льодів, мала таку ж щільність, як рідка вода, і стан якої нагадував воду в твердому стані. Новий лід вони назвали аморфним льодом середньої щільності (MDA).

Команда припустила, що MDA (який виглядає як дрібний білий порошок) може існувати всередині крижаних супутників зовнішньої Сонячної системи, оскільки приливні сили від газових гігантів, таких як Юпітер і Сатурн, можуть надавати подібні сили зсуву на звичайний лід, як ті, що створюються кульовим млином. Крім того, команда виявила, що коли MDA нагрівається та перекристалізується, він вивільняє надзвичайну кількість тепла, що означає, що він може спровокувати тектонічні рухи та «льодотруси» в кілометровому покриві льоду на супутниках, таких як Ганімед Юпітера.

«Ми знаємо про 20 кристалічних форм льоду, але раніше були виявлені лише два основних типи аморфного льоду, відомі як аморфний лід високої щільності та аморфний лід низької щільності. Між ними існує величезна щілина в щільності, і загальноприйнятою думкою є те, що в цій щілині не існує льоду. 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».

Різниця в щільності між відомими аморфними льодами змусила вчених припустити, що вода насправді існує як дві рідини при дуже низьких температурах і що теоретично при певній температурі обидві ці рідини можуть співіснувати, причому один тип плаває над іншим, як при змішуванні масла і води. Ця гіпотеза була продемонстрована в комп’ютерному моделюванні, але не підтверджена експериментом. Дослідники кажуть, що їхнє нове дослідження може викликати сумніви щодо вірогідності цієї ідеї.

Професор Зальцманн сказав: «Існуючі моделі води слід перевірити повторно. Вони повинні вміти пояснити існування аморфного льоду середньої щільності. Це може стати відправною точкою для остаточного пояснення рідкої води». Дослідники припустили, що нещодавно виявлений лід може бути справжнім склоподібним станом рідкої води, тобто точною копією рідкої води у твердій формі, так само як скло у вікнах є твердою формою рідкого діоксиду кремнію. Однак інший сценарій полягає в тому, що MDA зовсім не склоподібний, а знаходиться в кристалічному стані із сильним зсувом.

Співавтор, професор Андреа Селла (Хімія UCL) сказав: «Ми показали, що можна створити те, що виглядає як стоп-моушн. Це несподівана і досить дивовижна знахідка». Провідний автор доктор Олександр Росу-Фінсен, який проводив експерименти під час роботи в Університеті хімії UCL, сказав: «Ми довго трусили лід, як божевільні, і зруйнували кристалічну структуру. Замість того, щоб закінчити з меншими шматками льоду, ми зрозуміли, що ми придумали абсолютно новий тип речі з деякими чудовими властивостями».

Імітуючи процедуру кульового подрібнення за допомогою повторного випадкового зсуву кристалічного льоду, команда також створила обчислювальну модель MDA. Доктор Майкл Девіс, який проводив обчислювальне моделювання, бувши аспірантом у лабораторії ICE (інтерфейси, каталітичні та навколишнє середовище) в UCL та Кембридзькому університеті, сказав: «Наше відкриття MDA викликає багато питань щодо природи рідкої води та тому розуміння точної атомної структури MDA є дуже важливим».