Ученые раскрывают секреты аморфного «космического» льда
Вода — одна из самых загадочных субстанций во Вселенной. На Земле она существует в привычных нам формах: жидкой, твердой (лед) и газообразной (пар). Однако за пределами нашей планеты вода чаще всего встречается в виде льда, причем в состоянии, которое долгое время считалось полностью аморфным — лишенным четкой структуры. Новое исследование ученых из Университетского колледжа Лондона (UCL) и Кембриджского университета переворачивает эти представления, показывая, что космический лед вовсе не такой неупорядоченный, как считалось ранее.
Открытие: скрытые кристаллы в аморфном льду
Аморфный лед низкой плотности — самая распространенная форма льда во Вселенной. Он встречается в кометах, на ледяных лунах и в межзвездных облаках, где рождаются звезды и планеты. Ранее считалось, что при экстремально низких температурах молекулы воды застывают хаотично, не успевая сформировать кристаллическую решетку, как в земном льду. Однако новое исследование, опубликованное в Physical Review B, показало, что этот лед все же содержит крошечные кристаллические области размером около 3 нанометров (чуть шире нити ДНК), встроенные в аморфную матрицу.
Это открытие было сделано благодаря компьютерному моделированию и экспериментам с перекристаллизацией аморфного льда. Ученые обнаружили, что при нагреве лед «помнит» свою первоначальную структуру, что невозможно в полностью неупорядоченном материале. Это означает, что даже в космическом льду существует скрытый порядок, пусть и в наномасштабе.
Последствия для космологии и астробиологии
Открытие имеет далеко идущие последствия. Во-первых, оно меняет наше понимание льда как ключевого компонента космических процессов. Лед участвует в формировании планет, эволюции галактик и переносе вещества в космосе. Если он обладает частичной кристаллической структурой, это может влиять на его механические и химические свойства.
Во-вторых, это ставит под сомнение одну из гипотез происхождения жизни на Земле — панспермию. Согласно этой теории, органические молекулы могли быть занесены на нашу планету кометами, содержащими аморфный лед. Однако если лед частично кристаллический, в нем меньше места для захвата сложных молекул, что снижает вероятность их сохранения в космическом путешествии. Тем не менее, полностью отвергать эту гипотезу рано — аморфные области во льду все еще могут служить «ловушками» для органики.
Исследование также затрагивает фундаментальные вопросы о природе аморфных материалов в целом. Такие материалы широко используются в технологиях — например, в оптоволоконных кабелях, где неупорядоченная структура стекла критически важна для передачи данных. Если в этих материалах есть скрытые кристаллические включения, их устранение может повысить эффективность технологий.
Новые загадки воды
Вода продолжает удивлять ученых. В 2023 году та же команда исследователей открыла аморфный лед с плотностью, как у воды. Теперь выясняется, что даже «хаотичный» космический лед обладает скрытой упорядоченностью. Эти открытия заставляют пересмотреть наши представления о фазовых состояниях воды и ее роли во Вселенной.
Как отметил ведущий автор исследования доктор Майкл Б. Дэвис: «Теперь у нас есть хорошее представление о том, как выглядит самая распространенная форма льда во Вселенной на атомном уровне. Но это только начало — впереди еще множество вопросов».
Остается загадкой, можно ли создать полностью аморфный лед, как меняется размер кристаллов в зависимости от условий образования льда и какие еще сюрпризы скрывает вода — вещество, без которого невозможна жизнь.