Лёд, которому не нужен мороз: кристаллы, выдерживающие 25 °C, объясняют тайны ледяных планет

Новый вид льда сохраняет кристалличность при нагреве — Franceinfo

Физики из Южной Кореи сообщили о создании нового вида льда — вещества, которое остаётся твёрдым при температуре 25 °C. Это открытие не только дополняет список известных кристаллических форм воды, но и может изменить представления о строении ледяных миров в нашей Солнечной системе. Сообщает Franceinfo.

Как вода превращается в "лед XXI"

Мы привыкли считать, что вода может быть жидкой, парообразной или твёрдой. Однако в твёрдом состоянии H₂O вовсе не ограничивается одним видом льда. В зависимости от давления и температуры молекулы воды могут образовывать разные кристаллические структуры. Они отличаются плотностью, ориентацией атомов и расположением кислородных и водородных связей.

На сегодняшний день науке было известно 20 различных фаз льда, каждая из которых существует при определённых условиях. Теперь к этому списку добавился "лед XXI", который учёные получили при сжатии одной из известных форм — льда VI — до экстремальных значений давления, примерно в 20 000 раз превышающих атмосферное давление Земли.

"При этих условиях молекулы воды перестраиваются в необычную решётку, которая сохраняет стабильность даже при 25 °C", — говорится в заявлении исследовательской группы.

Этот процесс длится всего несколько микросекунд и требует применения алмазных наковален и мощных лазерных импульсов, способных воспроизвести давление, подобное тому, что царит в недрах крупных планет.

Почему новый лёд не растает на солнце

Новый тип льда не способен существовать при нормальных земных условиях: как только давление снижается, кристаллическая решётка мгновенно разрушается. Поэтому о мороженом, которое не тает в руках, пока можно только мечтать.

Однако физики отмечают, что структура "льда XXI" отличается повышенной плотностью и необычной симметрией. В нём молекулы H₂O располагаются так, что образуют более компактную решётку, чем в любых предыдущих формах. Это делает его устойчивым к теплу, но исключительно при экстремальных давлениях.

"Фаза XXI может существовать в условиях, аналогичных тем, что наблюдаются на ледяных спутниках газовых гигантов. На Земле она нестабильна, но в космосе может быть повсеместной", — отмечают авторы работы.

Где в космосе можно встретить "лед XXI"

Хотя на Земле подобные давления можно создать только в лаборатории, в других уголках Солнечной системы они встречаются естественным образом. Исследователи предполагают, что "лед XXI" может существовать в недрах Европы и Ганимеда — спутников Юпитера, а также Тритона и Нереиды, спутников Нептуна.

Эти тела состоят в основном из водного льда, и внутри них давление возрастает на десятки тысяч атмосфер. Именно такие условия подходят для образования новой фазы. Если предположения подтвердятся, это может объяснить странные физические свойства их поверхностей и необычную теплопроводность.

Кроме того, учёные не исключают, что наличие "льда XXI" влияет на циркуляцию подповерхностных океанов и даже на электромагнитные поля спутников, что ранее вызывало у исследователей множество вопросов.

Сравнение: известные формы льда и "лед XXI"

Чтобы оценить значимость открытия, стоит сравнить свойства новой фазы с другими типами льда.

Обычный лёд (лед Ih):

Формируется при атмосферном давлении.
Тает при 0 °C.
Имеет шестиугольную структуру.

Лед VI:

Образуется при давлениях от 1 до 2 ГПа (10 000-20 000 атмосфер).
Имеет плотную тетрагональную решётку.
Служит основой для новых форм при дальнейшем сжатии.

Лед XXI:

Формируется при давлениях свыше 20 000 атмосфер.
Сохраняет твёрдое состояние при 25 °C.
Предположительно существует в недрах спутников Юпитера и Нептуна.

Таким образом, "лед XXI" расширяет диапазон возможных состояний воды и даёт новую точку отсчёта для моделирования физических процессов на других планетах.

Плюсы и минусы открытия

Преимущества:

Расширяет знание о поведении воды под экстремальными условиями.
Помогает моделировать внутреннюю структуру ледяных планет.
Открывает перспективы для изучения термодинамики в высоких давлениях.

Недостатки и ограничения:

Невозможно синтезировать в естественных земных условиях.
Существует только при сверхвысоких давлениях и короткое время.
Трудно исследовать структуру из-за нестабильности при снижении давления.

Тем не менее, результаты экспериментов уже используются для уточнения моделей поведения воды в недрах планет-гигантов и для прогнозирования их тепловых процессов.

Советы для тех, кто интересуется физикой воды

Изучайте фазовые диаграммы воды. Они показывают, как температура и давление влияют на состояние вещества.
Следите за публикациями в Nature Materials и Physical Review Letters. Эти журналы часто публикуют новейшие открытия в области физики высоких давлений.
Используйте интерактивные симуляции. Онлайн-модели позволяют "сжать" воду и увидеть, как она меняет структуру.
Помните: вода — одно из самых загадочных веществ. Даже спустя века исследований она продолжает преподносить сюрпризы.