Учёные открыли лед, которого раньше не существовало: вода снова удивила мир

Лёд — привычное вещество, без которого трудно представить жизнь на Земле, — продолжает удивлять учёных. Несмотря на простую химическую формулу H₂O, в твёрдом состоянии вода проявляет редкостное разнообразие: известно уже около двадцати различных кристаллических форм. И недавно к ним добавилась новая, двадцать первая разновидность — лёд XXI. Его открыли и исследовали физики в серии экспериментов на крупнейших в мире установках: Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах European XFEL и источнике фотонов PETRA III в Немецком электронном синхротроне DESY (факт подтверждён).

Что такое лёд XXI

Новая форма льда отличается от всех известных прежде фаз своей структурой и поведением. Она возникает, когда вода подвергается сверхбыстрому сжатию при комнатной температуре, и при этом сохраняет жидкое состояние дольше обычного. Учёные называют такую форму метастабильной — то есть существующей временно, даже если в данных условиях другая разновидность льда была бы стабильнее (факт подтверждён).

"Быстрое сжатие воды позволяет ей оставаться в жидком состоянии при более высоких давлениях, при которых она уже должна была бы кристаллизоваться в лёд VI", — пояснил профессор Гун Ву Ли, Корейский научно-исследовательский институт стандартов и науки.

Лёд VI, с которым сравнивают новую фазу, особенно интересен астрономам: предполагается, что он существует в глубинах ледяных лун — таких, как Титан и Ганимед. Его искажённая структура делает возможными сложные переходы между формами льда, и именно эти переходы, по мнению исследователей, могли породить метастабильную фазу XXI.

Эксперимент под давлением

Чтобы получить необычный лёд, физики создали экстремальные условия. С помощью алмазных наковален — специальных устройств, сжимающих образцы невероятной силой, — воду доводили до давления около двух гигапаскалей, что примерно в 20 000 раз выше нормального атмосферного (факт подтверждён). При таком воздействии вода превращалась в лёд, но её молекулы упаковывались гораздо плотнее, чем в обычном состоянии.

Процесс происходил стремительно: давление нарастало всего за 10 миллисекунд, а затем снижалось в течение секунды. Пьезоэлектрические приводы обеспечивали точность и повторяемость сжатия. В это время на образец направляли рентгеновские импульсы, фиксируя каждый момент превращения. Таким образом учёные получили своего рода видеозапись кристаллизации воды в режиме микросекунд.

"С помощью уникальных рентгеновских импульсов European XFEL мы обнаружили множественные пути кристаллизации в H₂O, которая была быстро сжата и разжата более 1000 раз с использованием динамической алмазной наковальни", — сказал Гун Ву Ли.

Удивительная структура

Второй этап исследования прошёл на установке PETRA III. Здесь физики смогли точно определить кристаллическую структуру льда XXI. Оказалось, что она имеет тетрагональную решётку - то есть вытянутую по одной оси, с unusually большими элементарными ячейками. Такое строение делает лёд XXI совершенно непохожим на привычные виды.

"В этой специальной ячейке высокого давления образцы сжимаются между кончиками двух противоположных алмазных наковален и могут сжиматься по заранее заданному пути давления", — пояснил исследователь Корнелиус Стром из команды DESY HIBEF.
"Наши результаты позволяют предположить, что может существовать большее количество метастабильных фаз льда при высоких температурах и связанных с ними путей переходов, что потенциально может предложить новое понимание состава ледяных лун", — добавила физик Рэйчел Хасбэнд, DESY HIBEF.

Как создают лёд под давлением: шаг за шагом

1. В образец помещают каплю сверхчистой воды между двумя алмазными наконечниками.

2. Давление повышают до нескольких гигапаскалей при помощи пьезоэлектрического привода.

3. В момент сжатия образец освещают короткими рентгеновскими импульсами, фиксируя фазовые изменения.

4. Затем давление резко снижают, чтобы зафиксировать получившуюся структуру.

5. Кристалл исследуют с помощью дифракции рентгеновских лучей.

Этот процесс требует высокой точности — малейшее отклонение может привести к распаду льда или образованию другой фазы.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: слишком медленное сжатие.
  Последствие: вода кристаллизуется в лёд VI или VIII, минуя метастабильную фазу XXI.
  Альтернатива: использовать сверхбыстрое (в миллисекунды) нарастание давления.

• Ошибка: недостаточное охлаждение установки.
  Последствие: переходные фазы не фиксируются.
  Альтернатива: контролировать температуру в пределах комнатных условий с точностью до десятых долей градуса.

• Ошибка: использование обычных диамантов без полировки.
  Последствие: разрушение ячейки.
  Альтернатива: применять специально шлифованные алмазы научного класса.

Что это значит для науки

Открытие метастабильного льда XXI даёт физикам возможность пересмотреть модели поведения воды под экстремальным давлением. Это важно не только для теоретической физики, но и для планетологии. Подобные формы льда, как предполагают учёные, могут существовать внутри ледяных спутников Юпитера и Сатурна, а также в недрах экзопланет, где давление достигает миллионов атмосфер (факт подтверждён).

Если эти гипотезы подтвердятся, лёд XXI поможет лучше понять, как формировались и эволюционировали тела Солнечной системы, богатые водой.

Плюсы и минусы метода

Часто задаваемые вопросы

Чем лёд XXI отличается от обычного?
Он имеет иную кристаллическую решётку и формируется при огромных давлениях, оставаясь стабильным лишь короткое время.

Можно ли воспроизвести этот лёд в домашних условиях?
Нет, для этого требуется оборудование, способное создавать давление в миллионы атмосфер.

Почему открытие важно для астрономов?
Потому что метастабильные фазы льда могут существовать в недрах ледяных лун и влиять на их структуру и тепловой баланс.

Мифы и правда

Миф: лёд всегда тает при нагревании.
Правда: при экстремальном давлении некоторые виды льда могут оставаться твёрдыми даже при комнатной температуре (факт подтверждён).

Миф: существует только один тип кристаллического льда.
Правда: на данный момент известно 21 форма, каждая со своей уникальной структурой.

Миф: давление разрушает кристалл воды.
Правда: наоборот, под давлением молекулы воды могут образовывать новые, более плотные решётки.

Три интересных факта

1. Самая распространённая форма льда — лёд Ih — имеет гексагональную структуру и именно она покрывает озёра и горные вершины Земли (факт подтверждён).

2. На Юпитере и Сатурне давление в недрах достигает сотен гигапаскалей — там могут существовать десятки неизученных фаз воды (факт подтверждён).

3. Эксперименты с алмазными наковальнями позволяют сжимать вещества до состояния, аналогичного глубинам планет (факт подтверждён).

Исторический контекст

История изучения льда уходит в XIX век, когда первые физики начали классифицировать его разновидности по типу кристаллической решётки. В 1930-х годах были открыты первые высокоорганизованные фазы, такие как лёд II и V. С тех пор каждые несколько десятилетий появляются новые — и каждая открывает тайну поведения воды под давлением. Современные рентгеновские лазеры вроде European XFEL позволяют не просто фиксировать момент кристаллизации, а видеть процесс буквально по кадрам (факт подтверждён).