Ученые подтвердили существование новой структуры льда

Мы знали о 18 различных фазах льда, некоторые из которых возникают естественным образом, а некоторые наблюдаются только в лабораторных условиях.

Три года назад группа исследователей изменила одну из существующих ледяных структур, преобразовав ее в форму, которую они назвали льдом β-XV.

Теперь члены этой команды определили его точную кристаллическую структуру, ответив на вопросы о том, как она образуется, и дали ей обозначение лед XIX.

Это открытие может помочь нам лучше понять, как лед образуется и ведет себя в инопланетных условиях, сильно отличающихся от земных.

Лед, который вы видите в морозильной камере или падающий с неба в виде снежинок или градин, является наиболее распространенным естественным льдом на Земле. Это называется лед I, и его атомы кислорода расположены в гексагональной сетке. Однако структура геометрически нарушена, атомы водорода гораздо более неупорядочены.

Когда лед I охлаждается определенным образом, атомы водорода могут периодически упорядочиваться в дополнение к атомам кислорода. Вот как ученые в лаборатории могут создавать различные фазы льда, которые имеют гораздо более упорядоченные кристаллические решетки молекул, чем их неупорядоченные родительские формы.

Группа физиков-химиков из Университета Инсбрука в Австрии некоторое время работала с фазой льда VI. Это одна из форм льда, которые можно встретить в природе, но только при очень высоких давлениях, в 10000 раз превышающих атмосферное давление на уровне моря (около 1 гигапаскаль), таких как те, которые находятся в мантии Земли или обернуты вокруг ядра Земли. Спутник Сатурна Титан.

Как и лед I, лед VI относительно неупорядочен. Его упорядоченная по водороду форма, лед XV, была открыта только около десяти лет назад. Он создается путем охлаждения льда до температуры ниже 130 К (-143 градусов по Цельсию, -226 градусов по Фаренгейту) при давлении около 1 гигапаскаль.

Несколько лет назад, изменив этот процесс, исследователи создали еще одну фазу льда. Они замедлили охлаждение и установили его ниже 103 Кельвина, а давление повысили до 2 гигапаскалей. Это произвело второе расположение молекул водорода, отличное от льда XV, который они назвали льдом β-XV.

Подтверждение того, что лед был отдельной фазой, было отдельным препятствием, требующим замены обычной воды на «тяжелую» воду. Обычный водород не имеет нейтронов в ядре. С другой стороны, тяжелая вода основана на дейтерии, форме водорода, в ядре которой находится один нейтрон.

Чтобы определить порядок атомов в кристаллической решетке, ученым необходимо рассеять нейтроны от ядер, чтобы обычные атомы водорода не разрезали его.

“К сожалению, это также меняет временные рамки для заказа в процессе производства льда“, - сказал физико-химик Томас Лоэртинг из Университета Инсбрука.

“Но тогда у аспиранта Тобиаса Гассера возникла решающая идея добавить несколько процентов обычной воды в тяжелую воду, что, как оказалось, значительно ускорило процесс заказа“.

Это позволило команде получить нейтронные данные, необходимые для построения кристаллической структуры. Как они думали, он отличался от льда XV, что дало ему официальное место как девятнадцатая известная фаза, лед XIX.

Это делает парные родственные фазы - первыми из известных, которые имеют одинаковую структуру кислородной решетки, но с различным расположением атомов водорода. “Это также означает, что впервые теперь можно будет реализовать переход между двумя упорядоченными формами льда в экспериментах“, - сказал Лертинг.