Протягом багатьох поколінь наш досвід роботи з льодом обмежувався його найпоширенішою формою, шестикутним льодом (Ih) — таким, який охолоджує напої та робить зимові дороги підступними. Але вчені руйнують ці загальноприйняті межі, створюючи понад 20 екзотичних кристалічних структур льоду, які існують лише під екстремальним тиском і температурою. Ці форми, які навряд чи коли-небудь зустрінуться в повсякденному житті, розкривають дивовижну складність, приховану в найпростішій молекулі на Землі: H₂O.
Напрочуд складний світ води
Основою всіх різновидів льоду є сама молекула води, що складається з одного атома кисню, з’єднаного з двома атомами водню під кутом 104,5 градуса. Між різними формами льоду змінюється не сама молекула, а те, як ці молекули взаємодіють через слабкі водневі зв’язки. Ці зв’язки, надзвичайно чутливі до температури та тиску, визначають їх розташування в кристалічних структурах.
Ці схеми можуть коливатися від гексагональної призми звичайного льоду до кубічної, ромбоедричної та тетрагональної граток, і все це визначається поведінкою цих водневих зв’язків. Ця чутливість надає воді те, що дослідники називають «квантово-подібною поведінкою», тобто невеликі зміни в умовах можуть призвести до зміни зв’язків молекул.
Як вчені створюють екзотичний лід
Щоб виявити ці приховані форми, вчені використовують екстремальні умови. Це включає застосування тиску, який у 3000 разів перевищує атмосферний, або охолодження води до -200 °C з додаванням гідроксиду калію, іноді протягом кількох тижнів.
Останнє досягнення, опубліковане в журналі Nature Materials, — це Лід XXI, швидкоплинна блокова кристалічна структура, що утворилася під час інтенсивного стиснення. Дослідники спостерігали цю перехідну форму за допомогою рентгенівського лазера з вільними електронами — по суті, високошвидкісної камери, яка може зафіксувати явища, які існують лише мить.
«Спостереження за речами на дуже високих швидкостях дозволяє нам спостерігати дивні та чудові явища», — пояснює Ашкан Саламат, фізико-хімік з Університету Невади, Лас-Вегас.
За межами Землі: де може існувати екзотичний лід
Хоча ці екзотичні крижані структури не зустрічаються в природі на Землі, вони можуть бути присутніми в надрах далеких планет або супутників. Глибоко всередині Нептуна або всередині крижаних супутників тиск і температура можуть сприяти формуванню цих структур.
Однак поки що лабораторія залишається головним кордоном для відкриттів. Як зазначає Саламат, «ще є нові та цікаві речі, які ми можемо відкрити». Це дослідження розширює наше розуміння матерії в екстремальних середовищах і натякає на можливість ще більш дивних форм льоду, які ще належить відкрити.
Пошук екзотичного льоду – це не просто наукова вправа. Він розкриває фундаментальні властивості води та самої матерії, розсуваючи межі того, що, на нашу думку, було можливим у найпростішій, але найважливішій молекулі у Всесвіті.
