Лёд, который "живет" даже при –150 °C — открытие, перевернувшее понимание природы воды

Лед, который "живет" перед таянием: китайские ученые раскрыли загадку, над которой думали почти два века. Поверхность замерзшей воды оказывается куда динамичнее, чем считалось раньше. Теперь ученые смогли заглянуть в самую суть этого явления — на уровне молекул. Об этом сообщает Пекинский университет.

Тайна поверхности льда

Еще в XIX веке Майкл Фарадей заметил странное поведение льда: при температурах ниже нуля его поверхность проявляет свойства жидкости. Этот феномен оставался необъясненным более 170 лет, вызывая интерес физиков, химиков и климатологов.

Исследователи отмечали, что именно благодаря этому эффекту возможно скольжение по льду, формирование снежинок и даже определенные реакции в атмосфере. Китайские ученые решили разгадать тайну, объединив классическую физику и новейшие технологии.

Команда Пекинского университета применила атомно-силовую микроскопию (АСМ) — метод, который позволяет исследовать структуру поверхностей с атомной точностью. Однако даже этот инструмент не способен в одиночку показать сложную трехмерную картину происходящего.

"Чтобы получить полное представление о том, как ведут себя молекулы воды на грани таяния, нам пришлось соединить данные АСМ с алгоритмами машинного обучения", — говорится в публикации исследователей.

Искусственный интеллект против тайн природы

Интеграция ИИ позволила ученым проанализировать миллионы сигналов, которые раньше считались "шумом" или погрешностью измерений. Алгоритмы обучались на моделях молекулярной динамики, что помогло им "понимать" реальные физические процессы, а не только теоретические сценарии.

В ходе экспериментов исследователи охлаждали образцы льда до температур от -152 °C до -93 °C. При таких условиях удалось впервые визуализировать аморфный поверхностный слой, где привычная кристаллическая решетка воды как будто "размывается". Молекулы теряют строгую организацию, но вещество остается твердым — в своеобразном переходном состоянии.

"Этот аморфный слой можно назвать мостом между твердым и жидким состоянием воды", — отмечается в отчете научной группы.

Что происходит перед таянием

По мере повышения температуры наблюдалось постепенное изменение структуры: аморфный слой становился все более подвижным и напоминал жидкость. Именно это промежуточное состояние объясняет, почему поверхность льда может быть скользкой даже при сильном морозе.

Теперь ученые получили прямые доказательства того, что переход к таянию начинается задолго до появления капель воды. Результаты исследования не только решают старую научную загадку, но и открывают новые направления для прикладных исследований.

Понимание поведения воды в экстремальных условиях поможет в разработке материалов для космических миссий, криоконсервации биообразцов и улучшении климатических моделей. Похожие работы уже проводятся в рамках изучения ледников Антарктики, где наблюдаются процессы, аналогичные переходу от твердого состояния к жидкому.

Новая эпоха наблюдений

Использование комбинации атомно-силовой микроскопии и машинного обучения показывает, что искусственный интеллект способен стать ключевым инструментом для изучения квантовых и молекулярных процессов. Такой подход открывает путь к наблюдению за другими веществами с аналогичной точностью и может изменить методы исследования наноструктур и биомолекул.

Современные разработки в области физики уже демонстрируют похожие результаты, например, при создании квантовых микроволновых генераторов, работающих без внешнего питания.

В будущем этот метод позволит не только видеть, но и прогнозировать, как изменяется структура вещества под воздействием внешних факторов — от температуры до давления и радиации. И возможно, именно так человечество откроет новые законы взаимодействия материи на самых фундаментальных уровнях.

Лед, который когда-то казался простым веществом, вновь доказал, что даже привычные вещи хранят в себе тайны. Главное — уметь их расслышать.