Od pokoleń nasze doświadczenia z lodem ograniczały się do jego najpowszechniejszej postaci, lodu sześciokątnego (Ih) — takiego, który chłodzi napoje i sprawia, że zimowe drogi stają się niebezpieczne. Jednak naukowcy przełamują te konwencjonalne granice, tworząc ponad 20 egzotycznych struktur kryształów lodu, które istnieją tylko pod ekstremalnym ciśnieniem i temperaturą. Te kształty, których nie można spotkać na co dzień, ujawniają niesamowitą złożoność ukrytą w najprostszej cząsteczce na Ziemi: H₂O.
Zaskakująco złożony świat wody
Podstawą wszystkich odmian lodu jest sama cząsteczka wody, składająca się z jednego atomu tlenu połączonego z dwoma atomami wodoru pod kątem 104,5 stopnia. Tym, co zmienia się pomiędzy różnymi formami lodu, nie jest cząsteczka, ale sposób, w jaki te cząsteczki oddziałują poprzez słabe wiązania wodorowe. Wiązania te, niezwykle wrażliwe na temperaturę i ciśnienie, determinują ich rozmieszczenie w strukturach krystalicznych.
Układy te mogą obejmować sześciokątny pryzmat zwykłego lodu po sieci sześcienne, romboedryczne i tetragonalne, a wszystko to jest podyktowane zachowaniem tych wiązań wodorowych. Ta wrażliwość zapewnia wodzie coś, co naukowcy nazywają „zachowaniem kwantowym” – to znaczy niewielkie zmiany warunków mogą spowodować, że cząsteczki przejdą do radykalnie odmiennych relacji.
Jak naukowcy tworzą egzotyczny lód
Aby odkryć te ukryte formy, naukowcy wykorzystują ekstremalne warunki. Wymaga to zastosowania ciśnienia 3000 razy atmosferycznego lub wody chłodzącej do -200°C z dodatkiem wodorotlenku potasu, czasami przez kilka tygodni.
Najnowszym osiągnięciem, opublikowanym w czasopiśmie Nature Materials, jest Ice XXI, zanikająca blokowa struktura krystaliczna utworzona pod wpływem intensywnej kompresji. Naukowcy obserwowali tę przejściową formę za pomocą lasera rentgenowskiego na swobodnych elektronach – zasadniczo szybkiej kamery, która może uchwycić zjawiska istniejące tylko przez chwilę.
„Obserwacja rzeczy przy bardzo dużych prędkościach pozwala nam zaobserwować dziwne i wspaniałe zjawiska” – wyjaśnia Ashkan Salamat, chemik fizyczny z Uniwersytetu Nevada w Las Vegas.
Poza Ziemią: gdzie może istnieć egzotyczny lód
Chociaż te egzotyczne struktury lodowe nie występują naturalnie na Ziemi, mogą występować we wnętrzach odległych planet lub księżyców. Głęboko wewnątrz Neptuna lub uwięzione w lodowych księżycach ciśnienie i temperatura mogą pozwolić na uformowanie się tych struktur.
Na razie jednak laboratorium pozostaje główną granicą odkryć. Jak zauważa Salamat: „Wciąż możemy odkryć nowe i ekscytujące rzeczy”. Badania te poszerzają naszą wiedzę na temat materii w ekstremalnych środowiskach i wskazują na możliwość istnienia jeszcze dziwniejszych form lodu, które dopiero zostaną odkryte.
Znalezienie egzotycznego lodu to nie tylko ćwiczenie akademickie. Odkrywa podstawowe właściwości wody i samej materii, przesuwając granice tego, co uważaliśmy za możliwe w najprostszej, ale najważniejszej cząsteczce we wszechświecie.
