Впервые получен лёд XV

Лёд XV - это давно предсказанная разновидность льда VI, отличающаяся упорядоченным расположением атомов водорода. Однако получить его и надёжно идентифицировать удалось только теперь.

Это достижение записали на свой счёт Кристоф Зальцманн (Christoph Salzmann) и его коллеги из Оксфорда, а также исследователи из университета Инсбрука (University of Innsbruck) и университетского колледжа Лондона (University College London).

Водяной лёд может существовать в трёх аморфных и 15 кристаллических модификациях, различающихся формой решётки, стабильностью и целым рядом параметров.

При этом на конечное расположение атомов и формирование связей влияют не только параметры среды (температура и давление), примеси, но и режим охлаждения, при котором вода вынуждена последовательно проходить через несколько фаз.

Объединённой команде физиков из трёх университетов впервые удалось "уговорить" H₂O добраться до той области на диаграмме фазовых состояний, в которой должен был формироваться лёд XV.

Структура льда XV. Большие кружки - атомы кислорода, маленькие - водорода (иллюстрация Christoph G. Salzmann et al.).

Выяснилось, что эта разновидность льда термодинамически стабильна при температурах ниже 130 кельвинов и давлении, лежащем в диапазоне от 0,8 до 1,5 гигапаскалей.

Структура нового льда была определена учёными при помощи нейтронной рефракции. И свойства льда XV оказались не такими, как предсказывала теория.

Положение льда XV на фазовой диаграмме воды. Обычный лёд, повсюду встречающийся в природе, обозначается как Ih (иллюстрация Christoph G. Salzmann et al.).

В частности, предыдущие расчёты говорили о том, что данный лёд должен быть ферроэлектрическим, однако оказалось - это вовсе не так.

Детали исследования можно найти в статье учёных, опубликованной на сервере arXiv.org.

Хотя экзотические формы льда наблюдались пока лишь в лабораторных установках, они могут существовать и играть большую роль в геохимии комет, ледяных спутников планет и других небесных тел.

Нарушение "традиционного" формирования водяных кристаллов с шестиугольной симметрией может привести к появлению новых способов воздействия людей на погоду. Необычное состояние замёрзшей воды совершенно случайно получили физики из университета Ливерпуля (University of Liverpool), университетского колледжа в Лондоне (University College London) и института Фрица-Хабера (Fritz-Haber-Institut).

Группа европейских исследователей наблюдала под сканирующим туннельным микроскопом формирование водяного льда на ровной поверхности меди (подключив к наблюдениям также инфракрасную спектроскопию).

Неожиданно выяснилось, что в самом начале гетерогенного образования кристаллов вода формирует длинные нити (диаметром 1 нанометр), составленные не из шестиугольников, как следует по теории, а из пятиугольных структур.

Учёные высчитали, что пятиугольные кристаллы в данных условиях энергетически предпочтительнее, так как позволяют воде создавать максимальное число связей вода-металл при сохранении сильных водородных связей в самой цепочке замёрзшей воды.

Исследователи полагают, что в присутствии металла вода может формировать и другие необычные наноструктуры, например - семиугольные кристаллы или системы с иным числом лучей.

Так устроена водяная "цепочка из пентагонов" на поверхности меди (иллюстрация с сайта chem.ucl.ac.uk).

Поскольку формирование водяных кристаллов на поверхности твёрдых веществ (пылинок, в частности) является важным механизмом в атмосферных явлениях, физики полагают, что открытая особенность воды поможет в поиске новых способов воздействия на погоду (наподобие нынешнего принудительного провоцирования осадков при помощи реактивов).

Поведение воды на границе раздела сред также играет большую роль в биохимических процессах, потому находка пятиугольного льда важна и с этой точки зрения.

(Детали открытия можно найти в статье в Nature Materials и пресс-релизе университетского колледжа)

Заметим, выяснение поведения молекул воды, расположенных непосредственно на границе "вода - твёрдая поверхность", задача нетривиальная. Ради этого приходится порой изобретать необычные установки.

Такая простая жидкая вода, как ни удивительно, ещё способна удивлять учёных (иллюстрация The Sacred Balance).

Группа учёных из американской лаборатории Беркли (Berkeley Lab) и университета Калифорнии (UC Berkeley) нашли ответ на простой вопрос: как взаимодействуют между собой молекулы воды?

Кажется, что ответ можно найти в школьном учебнике: водородные связи, слабая поляризация каждой молекулы, имеющей форму буквы V и так далее, и тому подобное. Но, несмотря на кажущуюся простоту, до сих пор в точности не выяснено, что происходит с молекулами воды, когда она находится в жидком состоянии.

Среди учёных распространены две конкурирующие теории о взаимодействии молекул в жидкой воде.

По одной - водородные связи между ближайшими молекулами, которые и дают водяному льду его структуру - разрушаются (в данных условиях), позволяя молекулам свободно перемещаться. Это так называемая модель с двумя состояниями.

Вторая версия - версия непрерывного изменения состояний, континуума, говорит о сохранении водородных связей между соседними молекулами в жидкой воде, но связей - постоянно меняющихся и искажающихся.

В новой работе группа американских физиков подводит итоги многолетних трудов, экспериментов и вычислений, которые также венчает недавнее "просвечивание" жидкой воды при помощи так называемой Раман-спектроскопии (широко применяемой для анализа веществ).

Исследователи показали, что наблюдаемые особенности результатов этой спектроскопии говорят в пользу правоты модели континуума. То есть - при переходе изо льда в жидкость вода не разрывает водородные связи между соседними молекулами. Но взамен они становятся изменчивыми и подвижными. В чём-то даже "виртуальными".

В том смысле, что каждая такая связь в любой момент времени может вдруг взять и исчезнуть, однако она восстановится уже через какие-то 200 фемтосекунд (либо - с той же самой молекулой-соседкой, либо с другой). В результате эти эфемерно короткие разрывы позволяют молекулам перемещаться друг относительно друга. Мы бы сказали, что жидкая вода, в некотором роде, не жидкость вовсе, а необычайно пластичный лёд.

Если вы дочитали эту заметку до конца, вам наверняка понравится большой материал об исследовании в Беркли необычных водных структур, рождающихся на границе вода-твёрдая поверхность, а также сообщения об открытии принципиально новых состояний воды, одно из которых не является ни льдом, ни газом, ни жидкостью, а второе и вовсе экзотическое - нанотрубочное.

Комментарий: Данная подборка заметок интересна сама по себе, так как расширяет наши представления о формах существования материи. Но я ее повторяю на страницах портала с сознательной целью. С целью подготовки к восприятию той истории разума, который развивался на Земле, изложенного в сомнительном варианте древних тайных знаний посредством вещания братства разного цвета.