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, не встречающаяся в природе на Земле. Он называется аморфным потому, что его атомы организованы не в виде аккуратного повторяющегося кристаллического узора, а в хаотичном порядке, или в атомном беспорядке.
Но обнаруженный недавно аморфный лед, полученный в результате экспериментов, процесса, называемого шаровой мельницей, не похож ни на один аморфный лед, который когда-либо видели.
Аморфный лед обычно имеет низкую плотность, около 0,94 грамма на кубический сантиметр, или высокую плотность, начиная с 1,13 грамма на кубический сантиметр. Плотность нового льда составляет 1,06 грамма на кубический сантиметр, что невероятно близко к плотности воды — 1 грамм на кубический сантиметр.
Исследователи под руководством химика Александра Розу-Финсена, назвали новую форму аморфным льдом средней плотности (MDA).
«Вода — основа всей жизни. От нее зависит наше существование, мы запускаем космические миссии в поисках ее, но с научной точки зрения она плохо изучена», — говорят ученые.
«Нам известно о 20 кристаллических формах льда, но ранее были обнаружены только два основных типа аморфного льда, известные как аморфные льды высокой и низкой плотности. Между ними существует огромный разрыв в плотности, и принято считать, что внутри этого разрыва плотности льда не существует».
«Наше исследование показывает, что плотность MDA находится точно в пределах этого разрыва плотности, и открытие может иметь далеко идущие последствия для понимания жидкой воды и ее многочисленных аномалий».
Вода достаточно странная странная. Поскольку она настолько вездесуща и необходим для нашего выживания, мы не склонны много думать о воде, но она не подчиняется тем же правилам, что и другие жидкости.
Вода универсальный растворитель; то есть многие другие вещества растворяются в ней действительно легко. Ее поверхностное натяжение необычно велико по сравнению с другими жидкостями, как и температура кипения.
И плотность воды в условиях охлаждения, пожалуй, самая странная 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.
Но не весь лед создается одинаково. На Земле лед естественным образом принимает кристаллическую форму, а его атомы образуют повторяющийся шестиугольный узор. Вот почему снежинки имеют тенденцию быть шестиугольными. Однако в космическом пространстве, близком к вакууму, 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 понимания воды. Фактически, предыдущие исследования и моделирование показали, что разрыв 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.
В новом исследовании ученые использовали несколько стальных шаров. Так называемая Шаровая мельница — это промышленный метод, используемый для измельчения или смешивания материалов. Исследователи использовали жидкий азот, чтобы охладить мельницу до -200 градусов по Цельсию, а затем добавили обычный водяной лед и встряхнули.
«Мы долго трясли лед и разрушили его кристаллическую структуру», — объясняет Росу-Финсен. Ученые поняли, что получили совершенно новый вид льда 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 говорит о том, что существующие модели воды необходимо пересмотреть, чтобы выяснить, какое место MDA занимает в общей картине. Но это уже дает надежду объяснить некоторые способы поведения водяного льда во Вселенной.
Ученые экспериментировали, чтобы увидеть, что происходит, когда MDA перекристаллизуется, сжимается и нагревается. 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 демонстрирует потенциал для будущих экспериментов и изучения специфических свойств воды.
Исследование опубликовано в журнале Science.