Ученые создали новый вид льда, который может существовать на далеких лунах.

«Аморфное» твердое вещество более плотное и может быть водой, «застывшей во времени».

Измельчение обычного льда стальными шариками разрушило его кристаллическую структуру и привело к созданию новой, более плотной версии твердой воды. Авторы и права: Александр Розу-Финсен, Кристоф Зальцманн.

_____________________________________________________________________________________

Ученые создали новый тип льда, который соответствует плотности и структуре воды, что, возможно, открывает двери для изучения загадочных свойств воды.

«Это может быть жидкая вода, застывшая во времени», — говорит Мартин Чаплин, специалист по структуре воды в Лондонском университете Саут-Бэнк, не участвовавший в работе. — Это может быть очень важно.

Лед называется аморфным льдом средней плотности. Создавшая его команда под руководством Александра Розу-Финсена из Университетского колледжа Лондона (UCL) встряхивала обычный лед в небольшом контейнере с шариками из нержавеющей стали сантиметровой ширины при температуре –200 ˚C, чтобы получить вариант, который никогда ранее не применялся. Был замечен раньше. Лед выглядел как белый гранулированный порошок, прилипший к металлическим шарикам. Результаты были опубликованы сегодня в журнале Science 1.

Случайные молекулы

Обычно, когда вода замерзает, она кристаллизуется, и ее молекулы выстраиваются в знакомую шестиугольную твердую структуру, которую мы называем льдом. Лед менее плотный, чем его жидкая форма — необычное свойство для кристалла. В зависимости от таких условий, как давление и скорость замерзания, вода также может затвердевать в любом из двух десятков других обычных способов. Аморфный лед другой: в нем такого порядка нет. «У вас есть множество беспорядочно соединяющихся молекул», — говорит Чаплин.

Два типа аморфного льда были обнаружены ранее, оба в двадцатом веке. Аморфный лед «низкой плотности» возникает в результате замерзания водяного пара на очень холодной поверхности при температуре ниже –150 ˚C; Аморфный лед «высокой плотности» образуется путем сжатия обычного льда при аналогичных температурах под высоким давлением. Хотя ни один из этих типов не распространен на Земле, оба они широко распространены в космосе. «Кометы — это большие куски аморфного льда низкой плотности», — говорит Кристоф Зальцманн, химик из Калифорнийского университета в Калифорнии и соавтор последней работы.

Команда использовала шаровую мельницу, инструмент, обычно используемый для измельчения или смешивания материалов при переработке полезных ископаемых, для измельчения кристаллизованного льда. Используя контейнер с металлическими шариками внутри, они встряхивали небольшое количество льда примерно 20 раз в секунду. По словам Зальцманна, металлические шарики создавали «сдвигающую силу» на льду, превращая его в белый порошок.

Облучение порошка рентгеновскими лучами и измерение их отражения — процесс, известный как рентгеновская дифракция, — позволил команде разработать его структуру. Лед имел молекулярную плотность, подобную плотности жидкой воды, без видимой упорядоченной структуры молекул — это означает, что кристалличность была «разрушена», — говорит Зальцманн. «Вы смотрите на очень беспорядочный материал».

Результаты «довольно убедительны», говорит Мариус Миллот, физик из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии. «Это отличный пример того, что нам еще есть что понять в отношении воды».

Результаты совпали с моделями, разработанными учеными из Кембриджского университета, Великобритания, и предсказали, что произойдет, если обычный лед будет разрушен таким образом. Однако неясно, действительно ли полученный порошок соответствует свойствам жидкой воды, учитывая, что ранее он был заморожен в виде кристаллизованного льда. Исследование этого потребует дальнейшей работы.

Большие последствия

В случае подтверждения новая форма льда позволит исследовать воду так, как это было невозможно раньше. «Жидкая вода — странный материал, — говорит Чаплин. «Мы все еще не знаем об этом так много, как хотелось бы». Например, обычно считается, что вода состоит из двух форм: воды с низкой плотностью и воды с высокой плотностью, что соответствует ранее известным вариантам аморфного льда. Открытие аморфного льда средней плотности может поставить под сомнение эту идею.

Ледяные плиты на поверхности Энцелада трутся друг о друга под действием приливных сил, когда Луна вращается вокруг Сатурна. На их границах мог образоваться более плотный, «аморфный» лед. Предоставлено: NASA/JPL/Институт космических наук.

________________________________________________________________________________________

«Если аморфный лед средней плотности действительно связан с жидкой водой, это означает, что эта модель неверна», — говорит Зальцманн. «Это может открыть новую главу в исследованиях льда».

Есть последствия и для понимания других миров. Некоторые спутники в нашей Солнечной системе, такие как спутник Юпитера Европа и спутник Сатурна Энцелад, имеют ледяные поверхности. Если бы две ледяные области на такой луне столкнулись друг с другом из-за приливных сил, между ними мог бы образоваться аморфный лед средней плотности в результате того же процесса сдвига, который использовали исследователи.

Увеличение плотности может создать промежутки на поверхности, вызывая разрушения на лунах, когда лед трескается. «Может произойти массивный обвал льда», — говорит Зальцманн. «Это может иметь серьезные последствия для геофизики ледяных лун».

Это, в свою очередь, может повлиять на потенциальную обитаемость океанов с жидкой водой, лежащих под ледяной поверхностью этих спутников. «Одним из ключевых моментов, связанных с этими лунами, является то, может ли быть поверхность раздела между жидкой водой и камнями — именно здесь может возникнуть жизнь», — говорит Милло. «Аморфный лед может сыграть роль, которую нам нужно понять».

Ссылка на источник: https://www.nature.com/articles/d41586-023-00293-w