Вчені, перемішуючи звичайну заморожену воду в банку з кульками з ультрахолодної сталі, виявили раніше невідому форму льоду, яка ближче до рідкої води, ніж будь-який інший лід.
Це аморфний лід, форма, що не зустрічається у природі на Землі. Це тому, що його атоми організовані не у вигляді акуратного повторюваного кристалічного візерунка, а в хаотичному порядку, в атомному безладді. Але аморфний лід, отриманий в результаті експериментів команди, процесу, званого кульовим млином, не схожий на один аморфний лід, який будь-коли бачили.
Аморфний лід зазвичай має низьку щільність, близько 0,94 г на кубічний сантиметр, або високу щільність, починаючи з 1,13 г на кубічний сантиметр. Щільність нового льоду становить 1,06 грама на кубічний сантиметр, що неймовірно близько до щільності води — 1 грам на кубічний сантиметр. Дослідники під керівництвом хіміка Олександра Розу-Фінсена, який раніше працював в Університетському коледжі Лондона у Великобританії, назвали нову форму аморфним льодом середньої щільності (MDA).
«Вода – основа всього життя. Від неї залежить наше існування, ми запускаємо космічні місії у пошуках її, але з наукового погляду вона погано вивчена», — говорить хімік Крістоф Зальцманн з Університетського коледжу Лондона. «Нам відомо про 20 кристалічних форм льоду, але раніше було виявлено лише два основних типи аморфного льоду, відомі як аморфні льоди високої щільності та низької щільності. Між ними існує величезний розрив у густині, і прийнято вважати, що всередині цього розриву густини льоду не існує», — пояснює Зальцманн.
«Наше дослідження показує, що щільність MDA знаходиться точно в межах цього розриву щільності, і це відкриття може мати далекосяжні наслідки для нашого розуміння рідкої води та її численних аномалій». просто дивна. Оскільки він настільки всюдисущий і необхідний для нашого виживання, ми не схильні багато думати про це, але він не підкоряється тим же правилам, що й інші рідини.
Це – універсальний розчинник; тобто багато інших речовин розчиняються в ньому дійсно легко. Його поверхневий натяг незвичайно великий порівняно з іншими рідинами, як і його температура кипіння.
І його щільність в умовах охолодження, мабуть, найдивніша з усіх: у міру замерзання більшості рідин їх щільність збільшується. Вода робить інше: вона стає менш щільною, тобто водяний лід зазвичай менш щільний, ніж вода. Ось чому кубики льоду плавають у вашому напої.
Але не весь лід створюється однаково. Тут, на Землі, лід природним чином набуває кристалічної форми, а його атоми утворюють шестикутний візерунок, що повторюється. Саме тому сніжинки мають тенденцію бути шестикутними. Однак у космічному просторі, близькому до вакууму, лід зазвичай аморфний, тому що атоми не зберігають достатньо теплової енергії, щоб перетворитися на кристалічну структуру.
Розрив густини в аморфному льоду був досить фундаментальним для нашого розуміння води. Фактично попередні дослідження та моделювання показали, що поділ може означати, що вода існує як дві окремі рідини при дуже низьких температурах, навіть співіснуючи, як нафта і вода, а не змішуючись, якщо умови були правильними. Гей, вода робила й дивніші речі.
Але потім Розу-Фінсен та його колеги отримали в свої руки кілька сталевих куль. Кульовий млин – це промисловий метод, що використовується для подрібнення або змішування матеріалів. Дослідники використали рідкий азот, щоб охолодити млиновий глечик до -200 градусів за Цельсієм (-328 градусів за Фаренгейтом), додали звичайний водяний лід і струснули.
«Ми довго трусили лід як божевільні і зруйнували кристалічну структуру», – пояснює Росу-Фінсен. «Замість того, щоб закінчити з дрібнішими шматочками льоду, ми зрозуміли, що придумали новий вигляд речей з деякими чудовими властивостями».
Що означають ці якості, поки що не зовсім ясно. Дослідники припускають, що MDA може бути склоподібним станом рідкої води. Хоча аморфний лід утворюється у природі, існують інші аморфні тверді тіла; скло є одним з них, і це просто тверда форма рідкого діоксиду кремнію. Але МДА також може бути просто сильно розфарбованим кристалічним льодом. Це говорить про те, що наші існуючі моделі води необхідно переглянути, щоб з’ясувати, яке місце MDA займає в загальній картині. Але це вже дає надію пояснити деякі способи поведінки водяного льоду у Всесвіті. Дослідники експериментували, щоб побачити, що відбувається, коли МДА перекристалізується, стискається і нагрівається. Вони виявили, що цей процес вивільняє дивовижну кількість енергії, припускаючи, що MDA може відігравати роль у тектонічній активності на покритих льодом світах, таких як супутник Юпітера Ганімед. І це відкриття демонструє потенціал для майбутніх експериментів та вивчення специфічних властивостей води.
«Ми показали, що можна створити те, що виглядає як покадрова вода», — говорить хімік Андреа Селла з Університетського коледжу Лондона.
«Це несподіване і досить дивне відкриття ».
