Ученые обнаружили странную новую форму льда, которая может изменить наше представление о воде

Ученые, перемешивая обычную замороженную воду в банке с шариками из ультрахолодной стали, обнаружили ранее неизвестную форму льда, которая ближе к жидкой воде, чем любой другой лед.

Это аморфный лед, форма которого не встречается в природе на Земле. Это связано с тем, что его атомы расположены не в аккуратном повторяющемся кристаллическом узоре, а в хаотичном порядке, в атомном беспорядке.

Но аморфный лед, возникающий в результате экспериментов команды, процесса, называемого шаровой мельницей, в отличие от любого аморфного льда, когда-либо виденного.

Аморфный лед обычно имеет низкую плотность, около 0,94 грамма на кубический сантиметр, или высокую плотность, начиная с 1,13 грамма на кубический сантиметр. Новый лед имеет плотность 1,06 грамма на кубический сантиметр, что невероятно близко к плотности воды — 1 грамм на кубический сантиметр.

Исследователи во главе с химиком Александром Розу-Финсеном, ранее работавшим в Университетском колледже. Лондоне в Великобритании, назвали новую форму аморфного льда средней плотности (MDA).

«Вода — основа всей жизни. От нее зависит наше существование, мы запускаем космические миссии в поисках ее, но с научной точки зрения он плохо изучен», — говорит химик Кристоф Зальцманн из Университетского колледжа Лондона.

«Нам известно о 20 кристаллических формах льда, но ранее были обнаружены только два основных типа аморфного льда. , известные как аморфные льды высокой плотности и низкой плотности. Между ними существует огромный разрыв в плотности, и принято считать, что в пределах этого разрыва плотности льда не существует», — объясняет Зальцманн.

«Наше исследование показывает, что плотность МДА находится точно в пределах этого разрыва плотности, и это открытие может иметь далеко идущие последствия. это для нашего понимания жидкой воды и ее многочисленных аномалий.»

Вода, не ходящая вокруг да около, просто странная. Поскольку он настолько вездесущ и необходим для нашего выживания, мы не склонны много думать об этом, но он не подчиняется тем же правилам, что и другие жидкости.

Это универсальный растворитель; то есть многие другие вещества растворяются в нем действительно легко. Его поверхностное натяжение необычно велико по сравнению с другими жидкостями, как и его температура кипения.

И его плотность в условиях охлаждения, пожалуй, самая странная вещь из всех: по мере замерзания большинства жидкостей их плотность увеличивается. Вода делает обратное: она становится менее плотной, то есть водяной лед обычно менее плотный, чем вода. Вот почему кубики льда плавают в вашем напитке.

Но не весь лед создается одинаково. Здесь, на Земле, лед естественным образом принимает кристаллическую форму, а его атомы образуют повторяющийся шестиугольный узор. Вот почему снежинки имеют тенденцию быть шестиугольными. Однако в почти вакуумном космосе лед обычно аморфен, потому что атомы не сохраняют достаточно тепловой энергии, чтобы превратиться в кристаллическую структуру.

Разрыв плотности в аморфном льду был довольно фундаментальным для наше понимание воды. Фактически, предыдущие исследования и моделирование показали, что разделение может означать, что вода существует как две отдельные жидкости при очень низких температурах, даже сосуществуя, как нефть и вода, а не смешиваясь, если условия были правильными. Эй, вода творит еще более странные вещи.

Но затем Розу-Финсен и его коллеги получили в свои руки несколько стальных шаров. Шаровая мельница — это промышленный метод, используемый для измельчения или смешивания материалов. Исследователи использовали жидкий азот, чтобы охладить мельничный кувшин до -200 градусов по Цельсию (-328 градусов по Фаренгейту), добавили обычный водяной лед и встряхнули.

«Мы долго встряхивали лед как сумасшедшие. и разрушил кристаллическую структуру», — объясняет Розу-Финсен. «Вместо того, чтобы закончить с более мелкими кусочками льда, мы поняли, что придумали совершенно новый вид вещей с некоторыми замечательными свойствами».

Что означают эти свойства, пока не совсем ясно. Исследователи предполагают, что MDA может быть «стекловидным» состоянием жидкой воды. Хотя аморфный лед не образуется в природе, существуют другие аморфные твердые тела; стекло является одним из них, и это просто твердая форма жидкого диоксида кремния. Но MDA также может быть просто сильно раскрошенным кристаллическим льдом.

Это действительно предполагает, что наши существующие модели воды необходимо пересмотреть, чтобы выяснить, как MDA вписывается в картину. Но это уже дает надежду объяснить некоторые способы поведения водяного льда во Вселенной.

Исследователи экспериментировали, чтобы увидеть, что происходит, когда МДА перекристаллизуется, сжимая и нагревая его. Они обнаружили, что этот процесс высвобождает удивительное количество энергии, предполагая, что MDA может играть роль в тектонической активности на покрытых льдом мирах, таких как спутник Юпитера Ганимед.

И это открытие показывает потенциал для будущих экспериментов и исследований а также особые свойства воды.

«Мы показали, что можно создать что-то похожее на воду в покадровой анимации», – говорит химик Андреа Селла из Университетского колледжа Лондона.

«Это неожиданное и удивительное открытие».

Исследование опубликовано в журнале Science.