Ученые создали странный новый тип льда, который почти такой же плотный, как вода
Используя сверхнизкие температуры и несколько стальных шарикоподшипников, ученые создали совершенно новую причудливую форму льда, которая имеет ту же плотность, что и жидкая вода.
Лед, известный как аморфный лед средней плотности, вписывается в пробел в анналах замерзшей воды, который ученые не были уверены, что он когда-либо будет заполнен. В отличие от кристаллического льда, который естественным образом образуется на Земле, вновь созданный лед не имеет организованной молекулярной структуры. Вместо этого его молекулы находятся в хаотичном несоответствии, больше похожем на стекло — состояние, известное как аморфное. Другие типы аморфного льда были созданы и раньше, но они были либо менее плотными, либо намного более плотными, чем жидкая вода. Эта новая версия аморфного льда Златовласки находится прямо посередине, почти точно совпадая с плотностью жидкой воды, объяснили исследователи в новом исследовании, опубликованном в журнале Science.
«Это что-то совершенно новое», — сказал старший автор исследования Кристоф Зальцманн, профессор физической химии и химии материалов в Университетском колледже Лондона.
Когда лед на Земле обычно замерзает, его молекулы складываются в организованную кристаллическую структуру. Этот кристаллический лед — одна из странных особенностей H2O, потому что он плавает в жидкой воде в твердом состоянии, а не тонет. Это связано с относительно большими зазорами в кристаллической структуре водяного льда по сравнению с другими материалами, которые при кристаллизации образуют более плотные структуры.
Однако при правильном обращении жидкая вода также может замерзнуть в неорганизованном, аморфном состоянии. Первое из этих состояний, аморфный лед низкой плотности, было открыто в 1930-х годах. Это делается путем осаждения водяного пара на очень холодные поверхности. Этот процесс происходит естественным образом в космосе, сказал Зальцманн, поэтому аморфный лед низкой плотности может быть наиболее распространенной формой льда во Вселенной.
В 1980-х годах исследователи обнаружили, что они также могут производить аморфный лед высокой плотности, сжимая обычный лед при очень низких температурах. Но никто никогда не производил аморфный лед средней плотности, то есть до тех пор, пока Зальцману и его коллегам не пришла в голову «безумная идея». Решили попробовать измельчить лед в шаровой мельнице.
Шаровая мельница — это устройство, похожее на очень продвинутый шейкер для коктейлей. Материал помещается в камеру с шариками из нержавеющей стали и встряхивается или переворачивается до тех пор, пока материал не измельчится. По словам Зальцманна, шаровая мельница используется во многих отраслях промышленности, но особенно хорошо она подходит для создания аморфных материалов и измельчения мягких замороженных материалов в порошки.
«Мы сказали: «Почему бы нам не измельчить лед в шаровой мельнице и посмотреть, что получится?», — сказал Зальцманн.
Исследователи ожидали, что шаровая мельница просто разобьёт кристаллы льда на более мелкие. Но это не то, что произошло. Вместо этого падающие стальные шары разрезали и сжимали кристаллы льда, толкая их в новое состояние дезорганизации. Результат? Аморфный лед средней плотности.
Компьютерное моделирование показало, что лед изначально находится в хорошем кристаллическом состоянии, а его водородные связи образуют гексагональную решетку. Случайный сдвиг от шаровой мельницы толкает эти водородные связи то туда, то сюда, оставляя их направленными вверх и вниз в хаотичном зигзаге.
Новая форма льда образуется при температуре минус 196 градусов по Цельсию. Помимо плотности 1,06 грамма на кубический сантиметр она обладает некоторыми странными свойствами (плотность воды составляет 1 грамм на кубический сантиметр). Так, когда исследователи сжали лед средней плотности и нагрели его до минус 120 C, лед перекристаллизовался, выделив большое количество тепла.
«С другими формами аморфного льда, если вы сожмете их и ослабите давление, ничего не произойдет», — сказал Зальцманн. «Но аморфный лед средней плотности каким-то образом обладает способностью накапливать механическую энергию и высвобождать ее при нагревании».
По словам Зальцманна, аморфный лед средней плотности может естественным образом образовываться на ледяных спутниках газовых гигантов, где гравитационные силы огромных миров сжимают и сдвигают лед спутников. Если это так, то механическая энергия, хранящаяся в этой форме льда, может влиять на тектонику этих лун, подобных Хоту.
Он пояснил, что понимание аморфного льда средней плотности также может помочь исследователям лучше понять жидкую воду в целом. Вода необычна не только потому, что ее кристаллическая форма плавает, но и потому, что она обладает другими уникальными свойствами, такими как высокое поверхностное натяжение и высокие температуры плавления и кипения. Ученые до сих пор спорят о природе воды при экстремально низких температурах. Любые дебаты теперь должны учитывать аморфный лед средней плотности, сказал Зальцманн.
«В значительной степени наше понимание жидкой воды было основано на том, что существует аморфный лед низкой плотности и высокой плотности», — сказал он. «Как аморфный лед средней плотности вписывается в эту картину?»
