На протяжении поколений наш опыт со льдом ограничивался его самой распространенной формой — гексагональным льдом (Ih) — тем самым, который охлаждает напитки и делает зимние дороги коварными. Но ученые разрушают эти привычные границы, создавая более 20 экзотических кристаллических структур льда, которые существуют только при экстремальном давлении и температуре. Эти формы, вряд ли когда-либо встретятся в повседневной жизни, раскрывают удивительную сложность, скрытую в самой простой молекуле на Земле: H₂O.
Удивительно Сложный Мир Воды
В основе всех разновидностей льда лежит сама молекула воды, состоящая из одного атома кислорода, связанного с двумя атомами водорода под углом 104,5 градуса. То, что меняется между различными формами льда, — это не молекула, а то, как эти молекулы взаимодействуют посредством слабых водородных связей. Эти связи, исключительно чувствительные к температуре и давлению, определяют расположение в кристаллических структурах.
Эти расположения могут варьироваться от гексагональной призмы обычного льда до кубических, ромбоэдрических и тетрагональных решеток, всё это диктуется поведением этих водородных связей. Эта чувствительность придает воде то, что исследователи называют «квантоподобным поведением» — то есть небольшие изменения в условиях могут заставить молекулы переходить в резко отличные отношения.
Как Ученые Создают Экзотический Лед
Чтобы раскрыть эти скрытые формы, ученые используют экстремальные условия. Это включает в себя создание давления в 3000 раз больше атмосферного или охлаждение воды до -200°C с добавлением гидроксида калия, иногда в течение нескольких недель.
Последнее достижение, опубликованное в журнале Nature Materials, — это Лед XXI, мимолетная блочная кристаллическая структура, образовавшаяся под интенсивным сжатием. Исследователи наблюдали эту преходящую форму с помощью рентгеновского лазера со свободными электронами — по сути, высокоскоростной камеры, способной запечатлеть явления, существующие лишь мгновение.
«Наблюдение за вещами с очень высокой скоростью позволяет нам наблюдать странные и удивительные явления», — объясняет Ашкан Саламат, физический химик из Университета Невады, Лас-Вегас.
За Пределами Земли: Где Может Существовать Экзотический Лед
В то время как эти экзотические структуры льда не встречаются в естественных условиях на Земле, они могут присутствовать во внутренних областях далеких планет или спутников. Глубоко внутри Нептуна или в ловушке внутри ледяных спутников давление и температура могут позволить этим структурам формироваться.
Однако на данный момент лаборатория остается основным рубежом для открытий. Как отмечает Саламат: «Все еще есть новые и захватывающие вещи, которые мы можем обнаружить». Это исследование расширяет наше понимание материи в экстремальных условиях и намекает на возможность существования еще более странных форм льда, которые еще предстоит найти.
Поиск экзотического льда — это не только академическое упражнение. Он раскрывает фундаментальные свойства воды и самой материи, раздвигая границы того, что мы считали возможным в самой простой, но самой важной молекуле во Вселенной.
