NatMater: лед XXI получен при комнатной температуре Похоже, это далеко не последнее такое открытие.
Вода H₂O, хоть и состоит всего из двух элементов, проявляет поразительную сложность в твердом состоянии. Известны два десятка разных форм льда, а недавно получена и исследована 21-я — и похоже, далеко не последняя.
Формы (фазы) льда обозначаются римскими цифрами. Новая — лед XXI — была изучена в серии экспериментов на крупнейшем в мире Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах European XFEL и источнике фотонов высоких энергий PETRA III в Немецком электронном синхротроне DESY. Результаты опубликованы в журнале Nature Materials.
Новая форма
Этот лед структурно отличается от всех ранее наблюдавшихся фаз. Он образуется, когда вода быстро сжимается до состояния сверхсжатой при комнатной температуре, и является метастабильным, то есть может существовать некоторое время, даже если другая форма была бы более стабильной в этих условиях.
«Быстрое сжатие воды позволяет ей оставаться в жидком состоянии при более высоких давлениях, при которых она уже должна была бы кристаллизоваться в лед VI», — объясняет профессор Гун Ву Ли из Корейского научно-исследовательского института стандартов и науки.
Лед VI — особенно интригующая фаза, которая, как предполагается, присутствует в недрах ледяных лун, таких как Титан и Ганимед. Его сильно искаженная структура может допускать сложные пути переходов, ведущие к метастабильным формам льда.
Экстремальные условия
Поскольку большинство разновидностей льда существуют только в экстремальных условиях, экспериментаторы добивались сверхвысоких давлений с помощью алмазных наковален. Воду сжимали до двух гигапаскалей, что примерно в 20 000 раз выше нормального атмосферного давления. Это приводит к образованию льда даже при комнатной температуре, но его молекулы упакованы гораздо плотнее, чем в обычном льде.
Высокое давление достигалось очень быстро — за 10 миллисекунд, а потом ослаблялось за секунду с помощью пьезоэлектрического привода. Образец при этом освещали мощными рентгеновскими вспышками каждую микросекунду, снимая таким образом высокоскоростное видео.
Удивительная структура
В другом эксперименте на лучевой линии P02.2 на PETRA III исследователи определили, что лед XXI имеет тетрагональную кристаллическую структуру, состоящую из удивительно больших повторяющихся элементарных ячеек.
«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», — говорит Ли.
«В этой специальной ячейке высокого давления образцы сжимаются между кончиками двух противоположных алмазных наковален и могут сжиматься по заранее заданному пути давления», — отмечает 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», — добавляет Рэйчел Хасбэнд из команды DESY HIBEF.