Ученые открыли новую форму льда, замерзающего при комнатной температуре

Ученые из Корейского института стандартов и науки совместно с европейскими коллегами, работающими на рентгеновском лазере на свободных электронах (XFEL) в Германии провели серию экспериментов с водой. Для этого они использовали динамическую ячейку с алмазными наковальнями. В ходе экспериментов давление изменялось от 0,001 гигапаскаля в секунду до 120 гигапаскалей в секунду – в миллионы раз выше атмосферного. Исследователи многократно повышали и снижали давление в диапазоне от 0,6 до 2,0 гигапаскалей при температуре около 25 °C, близкой к комнатной. В течение сотен циклов они наблюдали, как вода многократно замерзает и тает, фиксируя каждый этап процесса с исключительной детализацией.

Для этого ученые синхронизировали сверхбыстрые вспышки европейского XFEL – рентгеновские импульсы, продолжающиеся всего миллионную долю секунды, – с моментом начала формирования кристаллов льда. Благодаря этому им удалось создать короткие "видеоролики", демонстрирующие процесс роста льда в условиях, подобных тем, что существуют в недрах планет и их спутников. Ученые установили, что при замерзании вода не переходит напрямую из жидкого состояния в твердое, а может следовать по пяти различным путям. В некоторых случаях она превращалась в редкую форму – лед VI – прежде чем испариться, а иногда проходила через промежуточные, так называемые метастабильные состояния, одно из которых оказалось совершенно новым и ранее никогда не наблюдалось.

Плотность льда XXI примерно равна 1,413 г/см³, что соответствует давлению около 1,6 гигапаскаля. После своего формирования он не возвращается к предыдущей фазе, а постепенно переходит к более стабильным формам – льду VII и VI. Такой односторонний переход делает лед XXI метастабильным состоянием: он может сохраняться некоторое время, хотя при тех же условиях существует более устойчивая структура. Чтобы понять происходящее на атомном уровне, ученые совместили свои эксперименты с моделированием молекулярной динамики, используя две компьютерные модели воды. При увеличении давления до 2 гигапаскалей они заметили, что внутренняя структура жидкой воды постепенно меняется: от конфигурации, характерной для льда VI, к структуре, присущей льду VII. Эта перестройка молекул частично объясняет, почему вода может образовывать разные твердые фазы.

На самом деле вода под давлением не переключается резко из одного состояния в другое. Она проходит через промежуточные "соседние" состояния, где молекулы частично упорядочены, прежде чем полностью сформировать кристалл. Такие постепенные изменения показывают, что процесс замерзания зависит не столько от температуры или давления, сколько от времени – точного баланса между скоростью формирования кристаллов и скоростью передачи энергии в жидкости. Для того чтобы зафиксировать события, происходящие за миллионные доли секунды, понадобились передовые технологии. Ученые использовали сверхкороткие рентгеновские импульсы, чтобы наблюдать перестройку атомов при каждом фазовом переходе. Дополнительные эксперименты на установке PETRA III в DESY подтвердили существование льда XXI и его необычно крупные повторяющиеся структурные элементы.

При медленном сжатии вода замерзает, образуя стабильные формы льда VI или VII. Однако при быстром сжатии, как в этом исследовании, жидкость становится "сверхсжатой" и способна временно сопротивляться замерзанию, формируя необычные структуры. Ученые считают, что аналогичные процессы могут происходить в недрах холодных лун, таких как Титан и Ганимед, где давление и температура достаточно высоки для появления экзотических видов льда.