Ученые случайно создали уникальный тип льда с аномальными свойствами: впервые на Земле
Используя сверхнизкие температуры и несколько стальных шарикоподшипников, ученые создали совершенно новую причудливую форму льда.
Новый лед, обозначенный как «аморфный лед средней плотности», вписывается в пробел в классификации форм замерзшей воды, который ученые и не надеялись заполнить. В отличие от кристаллического льда, который естественным образом образуется на Земле, искусственно созданный лед не имеет организованной молекулярной структуры. Вместо этого его молекулы находятся в хаотичном несоответствии, больше похожем на стекло — состояние, известное как аморфное. Другие типы аморфного льда были созданы и раньше, но они оказывались либо менее плотными, либо намного более плотными, чем жидкая вода. Новая же версия аморфного льда находится прямо посередине, почти точно совпадая с плотностью жидкой воды, утверждается в работе, опубликованной в журнале Science.
«Это нечто совершенно новое», — заявил старший автор исследования Кристоф Зальцманн, профессор физической химии и химии материалов в Университетском колледже Лондона.
Мельница для льда
Когда лед замерзает на Земле естественным путем, его молекулы складываются в организованную кристаллическую структуру. Этот кристаллический лед — одна из странных особенностей H2O, потому что он плавает в жидкой воде в твердом состоянии и при этом не тонет. Это связано с относительно большими зазорами в кристаллической структуре водяного льда по сравнению с другими материалами, которые при кристаллизации образуют более плотные структуры.
Однако при правильном обращении жидкая вода также может замерзнуть в неорганизованном, аморфном состоянии. Первое из этих состояний, аморфный лед низкой плотности, было открыто в 1930-х годах. Это делается путем осаждения водяного пара на очень холодные поверхности. Данный процесс происходит естественным образом в космосе, пояснил Зальцманн, поэтому аморфный лед низкой плотности может быть наиболее распространенной формой льда во Вселенной.
В 1980-х годах исследователи обнаружили, что они также могут производить аморфный лед высокой плотности, сжимая обычный лед при очень низких температурах. Но никто никогда не производил аморфный лед средней плотности, до тех пор, пока Зальцману и его коллегам не пришла в голову «безумная идея пятничного дня». Они решили попробовать измельчить лед в шаровой мельнице.
Шаровая мельница — это устройство, похожее на очень продвинутый шейкер для коктейлей. Материал помещается в камеру с шариками из нержавеющей стали и встряхивается или переворачивается до тех пор, пока материал не измельчится. По словам Зальцманна, шаровая мельница используется во многих отраслях промышленности, но особенно хорошо она подходит для создания аморфных материалов и измельчения мягких замороженных материалов в порошки.
Странные свойства
Исследователи ожидали, что шаровая мельница просто разобьёт кристаллы льда на более мелкие. Но вместо этого падающие стальные шары давили и сжимали кристаллы льда, постепенно приводя их в новое состояние дезорганизации. В результате и получилось совершенно новое вещество с крайне необычной структурой.
Компьютерное моделирование показало, что лед изначально находится в правильном кристаллическом состоянии, а его водородные связи образуют гексагональную решетку. Случайные воздействия шаровой мельницы перемещают водородные связи то туда, то сюда, превращая их в хаотичные зигзаги.
Новая форма льда образуется при температуре -196°C. Его плотность составляет 1,06 грамма на кубический сантиметр, в то время как плотность воды — ровно 1 грамм на кубический сантиметр. Однако этим обстоятельством странные свойства аморфного льда не исчерпываются: по словам Зальцманна, то, что когда исследователи сжали лед средней плотности и нагрели его до минус -120 °C , лед перекристаллизовался, выделив большое количество тепла.
«Если вы сожмете другие формы [аморфного] льда и ослабите давление, то с ними просто ничего не произойдет. Но наше вещество каким-то образом обладает способностью накапливать механическую энергию и высвобождать ее при нагревании», — пояснил ученый.
По словам Зальцманна, аморфный лед средней плотности может естественным образом образовываться на ледяных спутниках газовых гигантов, где роль мельницы играют гравитационные силы огромных планет. Если это так, то механическая энергия, хранящаяся в этой форме льда, может влиять на тектонику этих лун и объяснить многие аномалии в их активности.