Дослідники Університетського коледжу Лондона (UCL) й Кембриджа створили нову форму льоду, яка має властивості, що докорінно змінюють наше розуміння про “твердий” стан води.
Нещодавно виявлений лід є аморфним — тобто його молекули знаходяться в дезорганізованій формі, а не акуратно впорядковані, як у звичайному кристалічному льоду. Аморфні форми здебільшого зустрічаються у космосі, оскільки космічне середовище не має достатньо теплової енергії для утворення кристалів.
У дослідженні, опублікованому в журналі Science, команда використала процес кульового млина — енергійно струшуючи звичайний лід разом зі сталевими кульками в охолодженій до -200°C банці. Замість очікуваних маленьких шматочків льоду, вчені отримали нову аморфну форму льоду — яка на відміну від інших відомих типів мала таку саму щільність, як рідка вода і разом з тим зовні походила на подрібнений лід.
Попередні дослідження твердої фази води дозволили вченим відкрити понад 20 кристалічних форм і два аморфні типу льоду — високої щільності (HDA) і низької щільності (LDA). Вчені відкрили LDA в 1930-х роках, коли осадили водяну пару на сталевий лист, охолоджений до -100°C; через 50 років вони виявили, що можуть створити HDA, стиснувши лід при температурі майже -200°C.
Розрив у щільності цих двох форм свідчив про те, що має бути золота середина, і вченим з Кембриджу та UCL вдалось її знайти. Новий лід вони назвали аморфним льодом середньої щільності (MDA).
Різниця в щільності раніше 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. Нове дослідження із MDA може викликати сумніви щодо реальності цієї ідеї.
“Ми знаємо про 20 кристалічних форм льоду, але раніше були виявлені лише два основні аморфні типи льоду, відомі як аморфний лід високої щільності та аморфний лід низької щільності. Між ними існує величезна прогалина в щільності, і загальноприйнятою думкою є те, що в цій прогалині 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”, — каже старший автор дослідження, професор хімії Крістоф Зальцманн.
Кульове подрібнення — це техніка, яка використовується в кількох галузях промисловості для подрібнення або змішування матеріалів, але раніше не застосовувалася до льоду. У дослідженні банку охолодили до -200°C, а щільність подрібненого льоду визначили за його “плавучістю” у рідкому азоті. Дослідники використовували низку інших методів для аналізу структури та властивостей MDA, включаючи дифракцію рентгенівських променів (спостереження рентгенівського випромінювання, відбитого від льоду) та раман-спектроскопію (перегляд того, як лід розсіює світло).
За допомогою калориметрії вдалось виявити, що якщо стиснути MDA, а потім нагріти його, він вивільнить велику кількість енергії під час перекристалізації. А отже такий лід може бути високоенергетичним геофізичним матеріалом, який може спричиняти тектонічні рухи на крижаних об’єктах Сонячної системи (таких як супутники Юпітера і Сатурна).