Вода, как загадка: лёд, который не должен был существовать, изменяет всё

Учёные, проводившие эксперименты в Корейском научно-исследовательском институте стандартов и науки и Университете науки и технологий, доказали, что сверхсжатая вода при комнатной температуре может превращаться в новый метастабильный лёд, названный льдом XXI. Это открытие основано на многократных циклах замерзания и таяния воды, что приводит к образованию ранее неизвестной формы льда, что имеет большое значение для физики высоких давлений и для поиска жизни в космосе и на ледяных спутниках, таких как Титан и Ганимед.

"Вода в твёрдом состоянии обладает удивительной сложностью структуры", — сказал доктор Гын У Ли, исследователь из Корейского научно-исследовательского института стандартов и науки и Университета науки и технологий.

Многогранность льда: от Ice Ih до Ice XX

Вода состоит всего из двух элементов, но образует несколько полиморфных фаз, от льда Ih до льда XX, а также четыре аморфные фазы. Понимание этих фаз и переходов между ними давно привлекает внимание учёных, и открытие льда XXI добавляет ещё одну важную страницу в это исследование.

Исследования, проведённые в рамках эксперимента, показали, что вода, подвергавшаяся сверхсжатию, может оставаться в жидком состоянии даже при высоком давлении, где она должна была бы кристаллизоваться в лёд VI.

"Быстрое сжатие воды позволяет ей оставаться в жидком состоянии при более высоком давлении, при котором она уже должна была бы кристаллизоваться в лёд VI", — объяснил доктор Ли.

Эксперименты с водой при высоком давлении

Для исследования воды при высоком давлении учёные использовали алмазные наковальни, которые могут создать давление, в 20 000 раз превышающее атмосферное. При этом вода была подвергнута сжатию до двух гигапаскалей — таких условий достаточно для образования льда при комнатной температуре, но молекулы в нём были упакованы гораздо плотнее, чем в обычном льде.

"Вода была исследована при давлении до двух гигапаскалей, что примерно в 20 000 раз превышает нормальное атмосферное давление", — сказал доктор Ли.

Рентгеновская съёмка и структура льда XXI

Чтобы наблюдать процесс формирования льда, учёные использовали рентгеновские вспышки Европейского источника синхротронного излучения. Это позволило получить изображения с невероятной частотой, вплоть до микросекунд. С помощью этих данных исследователи смогли увидеть процесс кристаллизации и доказать, что лёд XXI обладает тетрагональной кристаллической структурой, состоящей из крупных повторяющихся элементов, называемых элементарными ячейками.

"Мы обнаружили множество путей кристаллизации воды, которая подвергалась быстрому сжатию и разжатию более 1000 раз", — сказал доктор Ли.

Новые данные и их значение для астрофизики

Эти результаты могут значительно изменить представление о составе ледяных спутников в нашей Солнечной системе. Изучение фаз воды при различных давлениях позволяет исследовать, как кристаллизуется жидкая вода в условиях экстремальных температур и давлений, что особенно важно для понимания процессов, происходящих на спутниках таких планет, как Юпитер и Сатурн.

"Наши результаты свидетельствуют о том, что может существовать большее количество высокотемпературных метастабильных ледяных фаз и связанных с ними путей перехода, что потенциально может дать новое представление о составе ледяных спутников", — отметила доктор Рэйчел Хасбенд, исследователь из Немецкого электронного синхротрона.

Советы шаг за шагом: как создать условия для экспериментов с льдом

1. Использование алмазных наковален — для создания необходимого давления, в 20 000 раз превышающего атмосферное.

2. Высокоскоростная рентгеновская съёмка — позволяет наблюдать процесс кристаллизации льда с частотой до микросекунды.

3. Многократное сжатие и разжатие — помогает моделировать процессы, происходящие в космосе при экстремальных условиях.

4. Использование высококачественного оборудования — таких как рентгеновские импульсы на European Synchrotron Radiation Facility для получения подробных изображений и данных.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: считать, что лёд существует в единственной, постоянной форме.
  Последствие: ограничение в понимании разнообразия фаз воды.
  Альтернатива: принятие новых открытий, таких как лёд XXI, что открывает новые горизонты для исследований.

• Ошибка: полагать, что данные о льде ограничены только земными условиями.
  Последствие: упущение важных сведений о составе ледяных спутников в Солнечной системе.
  Альтернатива: учёт космологических данных для более точных исследований воды на других планетах.

Сравнение: льды разных фаз

FAQ

Что такое лёд XXI?
Это новая форма метастабильного льда, которая образуется при сверхсжатии воды при комнатной температуре.
Как создаются такие высокие давления для образования льда?
Для создания таких условий используются алмазные наковальни, которые могут создавать давление в 20 000 раз выше атмосферного.
Что означает открытие льда XXI для астрофизики?
Это открытие может помочь лучше понять состав ледяных спутников планет, таких как Титан и Ганимед.

Мифы и правда

• Миф: лёд всегда существует в одной форме.
  Правда: Существует множество фаз льда, включая недавно открытый лёд XXI.

• Миф: вода всегда замерзает при низкой температуре.
  Правда: Вода может оставаться в жидком состоянии даже при высоком давлении, если оно правильно контролируется.

• Миф: лёд XXI не имеет практического значения.
  Правда: Это открытие помогает понять процессы, происходящие на ледяных спутниках и в других космических телах.

3 интересных факта

1. Лёд XXI был открыт в результате многократного сжатия воды с последующим разжатием.

2. Исследования показывают, что лёд XXI обладает тетрагональной кристаллической структурой.

3. Это открытие может иметь значение для понимания процессов, происходящих на ледяных спутниках в нашей Солнечной системе.

Исторический контекст

В течение многих лет физики считали, что лёд существует в нескольких формах, но новое открытие льда XXI добавляет ещё одну важную фазу в исследования воды при экстремальных условиях. Этот прогресс в исследовании воды и льда помогает улучшить наше понимание процессов, происходящих в самых удалённых уголках Вселенной.

Источник: Nature Materials.