Вода не перестаёт удивлять: теперь она замерзает без холода — открытие, меняющее представление о материи

Когда кажется, что о воде уже известно всё, наука снова удивляет. Используя мощнейший рентгеновский лазер в мире, физики обнаружили новую форму воды - лёд XXI. Его особенность в том, что он образуется при обычной температуре, но при этом требует чудовищно высокого давления. Это открытие способно не только расширить понимание свойств воды, но и помочь учёным моделировать процессы, происходящие в глубинах планет и спутников Солнечной системы.

Как создавали лёд XXI

Эксперимент проводился в Германии, на базе Европейского рентгеновского лазера XFEL, — установки, которая позволяет изучать структуру материи с беспрецедентной точностью. Команда международных исследователей решила воспроизвести экстремальные условия, при которых молекулы воды могут перестраиваться в новые формы.

Для этого использовалась алмазная наковальня - устройство, способное сжимать вещества до давлений, многократно превышающих земные. Учёные помещали каплю воды между двумя алмазами и повышали давление до двух гигапаскалей - это примерно в 20 тысяч раз больше, чем атмосферное давление на уровне моря.

Процесс длился всего десять миллисекунд, после чего давление медленно снижалось в течение секунды, и эксперимент повторялся. Всё это время систему наблюдало высокоскоростное устройство, способное делать миллион снимков в секунду, фиксируя каждое изменение структуры кристаллов.

"Нам удалось впервые увидеть, как вода может образовывать совершенно новую структуру при изменении давления", — отметил физик Геун У Ли из Корейского института стандартов и науки.

Что отличает лёд XXI от других видов

Учёные уже давно знают, что лёд — вовсе не одно вещество. На сегодняшний день известно более двадцати его разновидностей, каждая из которых возникает при определённом сочетании температуры и давления. Но лёд XXI стал особенным: он имеет тетрагональную кристаллическую решётку, состоящую из 152 молекул воды.

Это необычное строение делает его промежуточным состоянием между жидкой водой и более плотной формой — льдом VI. По сути, исследователи поймали тот момент, когда вода "перестраивается" на молекулярном уровне, образуя упорядоченную структуру без охлаждения до минусовых температур.

Сравнение различных форм льда

Почему это открытие важно

Обычная вода — одна из самых аномальных жидкостей в природе. Она расширяется при замерзании, имеет высокую теплоёмкость и необычную структуру водородных связей. Открытие нового вида льда помогает объяснить, как именно вода реагирует на экстремальные условия и почему её поведение на других планетах может отличаться от земного.

Исследователи считают, что лёд XXI — ключ к пониманию того, как внутри ледяных спутников, таких как Европа (Юпитер) или Энцелад (Сатурн), вода может существовать в разных состояниях.

"Уникальная технология XFEL позволила выявить несколько путей формирования кристаллов при резких изменениях давления", — пояснил Геун У Ли.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: считать, что при комнатной температуре лёд существовать не может.
  • Последствие: ограниченное понимание фазовых переходов воды.
  • Альтернатива: учитывать давление как решающий фактор — при высоком давлении вода может образовывать лёд даже при 25°C.

А что если… лёд XXI существует в космосе?

Если подобная форма воды способна возникать при высоком давлении, то на ледяных планетах и спутниках, где давление достигает десятков гигапаскалей, могут существовать ещё более экзотические разновидности льда. Они могут определять внутреннюю структуру этих тел, влиять на магнитные поля и даже на возможность существования подповерхностных океанов.

На планетах-гигантах, например, на Нептуне и Уране, давление в недрах настолько велико, что вода может принимать формы, о которых на Земле пока только догадываются. Лёд XXI может оказаться одной из промежуточных стадий этих процессов.

Плюсы и минусы нового метода

FAQ

Можно ли увидеть лёд XXI невооружённым глазом?
Нет. Он существует только при экстремальных давлениях и исчезает, как только условия возвращаются к норме.

Отличается ли он по свойствам от обычного льда?
Да. Его плотность и структура иные, а молекулы расположены в упорядоченных слоях, что делает его твёрже, чем лёд I.

Есть ли практическое применение?
Пока нет, но открытие важно для физики твёрдого тела, астрофизики и материаловедения.

Мифы и правда

Миф: лёд XXI — искусственный, в природе не существует.
Правда: при подходящих условиях он может возникать в глубинах ледяных спутников и планет.

Миф: все формы воды давно открыты.
Правда: на сегодня известно более двадцати видов льда, и исследования продолжаются.

Миф: вода всегда замерзает при 0°C.
Правда: температура замерзания зависит от давления — в лаборатории лёд XXI образовался при +25°C.

Исторический контекст

Первую необычную форму льда — лёд II — открыли ещё в 1930-х. С тех пор физики выявили целую серию экзотических состояний воды, включая лёд VII, лёд XI и даже сверхионный лёд, где молекулы частично распадаются. Однако открытие льда XXI стало особенным: впервые удалось наблюдать рождение новой фазы в реальном времени.

Эта работа не только добавила ещё одну строку в таблицу состояний воды, но и приблизила человечество к пониманию того, как в холодных глубинах космоса рождаются сложные структуры — из самого простого вещества во Вселенной.