Исследование показывает, как много ученым еще предстоит узнать о такой простой молекуле, как вода.
Встряхнутая и охлажденная, но не взбалтываемая, обычная замороженная вода превращается во что-то другое: недавно открытая форма льда, состоящая из смеси молекул с уникальными свойствами.
«Это совершенно неожиданно и очень удивительно», — сказал Кристоф Зальцманн, профессор химии Лондонского университетского колледжа в Англии и автор статьи, опубликованной в четверг в журнале Science, в которой описывается лед.
Вода — это простая молекула, которую ученые внимательно изучали на протяжении веков: два атома водорода отходят под углом 104,5 градуса в форме буквы V от центрального атома кислорода.
Новое открытие еще раз показывает, что вода, молекула, без которой, как известно, не может существовать жизнь, все еще скрывает научные сюрпризы, которые еще предстоит раскрыть. В этом эксперименте использовалось относительно простое и недорогое оборудование, чтобы обнаружить форму льда, которая могла существовать в других местах Солнечной системы и во всей Вселенной.
В повседневной жизни мы сталкиваемся с тремя формами воды: парообразным газом, похожим на пар, текущей жидкой водой и твердым скользким льдом. Лед нашей повседневной жизни состоит из молекул воды, выстроенных в виде шестиугольников, и эти шестиугольные решетки аккуратно накладываются друг на друга. Шестиугольная структура не плотно упакована, поэтому лед менее плотный, чем жидкая вода, и плавает.
При изменениях температуры и давления за пределами того, что обычно происходит на Земле, молекулы воды могут вталкиваться в другие кристаллические структуры. Ученые теперь знают о 20 кристаллических формах воды. В прошлом году была обнаружена 20-я форма льда.
Кроме того, исследователи также задокументировали два типа льда с перемешанными молекулами, которые они называют аморфными материалами. Поскольку один из аморфных льдов плотнее воды, он известен как аморфный лед высокой плотности; другой, с плотностью меньше, чем у воды, представляет собой аморфный лед низкой плотности. Аморфные льды не встречаются на Земле, но они могут быть распространены в космическом пространстве, в кометах, межзвездных облаках и ледяных мирах, таких как Европа, спутник Юпитера.
Есть даже тип воды, который бывает и жидким, и твердым. В 2018 году ученые объявили о создании «суперионной воды», которая была одновременно твердой и жидкой.
Доктор Зальцманн и его коллеги не собирались пополнять каталог водяного льда. Вместо этого они хотели изучить очень маленькие кристаллы льда, потому что крошечные кусочки чего-то иногда обладают свойствами, сильно отличающимися от более крупных кусочков того же материала.
Поэтому Александр Розу-Финсен, научный сотрудник исследовательской группы доктора Зальцманна и ведущий автор научной статьи, начал разбивать лед. Водяной лед сначала охлаждали в жидком азоте до минус 320 градусов по Фаренгейту, а затем помещали в контейнер вместе со стальными шариками. Затем машина встряхивала лед и стальные шарики, все еще охлажденные при сверхнизких температурах, взад и вперед со скоростью 20 раз в секунду, измельчая лед на крошечные кусочки. Этот процесс известен как шаровая мельница.
Думайте об этом как о высокотехнологичном шейкере для коктейлей.
Затем доктор Розу-Финсен открыл контейнер.
«О чудо, произошло нечто совершенно неожиданное», — сказал доктор Розу-Финсен, который сейчас является заместителем редактора журнала Nature Reviews Chemistry.
Белый материал внутри выглядел так, как можно было бы ожидать от разбитого льда, но он преобразился.
Материал стал более плотным, и большая часть кристаллической структуры была разрушена, в результате чего образовался аморфный материал. Однако плотность не соответствовала уже известным аморфным льдам высокой и низкой плотности. Интересно, что он оказался где-то посередине; действительно, она была почти такой же плотности, как жидкая вода. До сих пор все твердые формы льда, кристаллические или аморфные, были либо значительно более плотными, либо менее плотными, чем жидкая вода.
Исследователи назвали его аморфным льдом средней плотности, или МДА.
Удары стальных шариков прикладывали к кристаллам льда силу сдвига, достаточную для того, чтобы выбить молекулы воды из их кристаллических положений, что позволило им упаковаться более плотно.
«Это действительно круто», — сказал Мариус Миллот, физик из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии, руководивший экспериментом по созданию суперионной воды. «Это говорит нам о том, что есть еще много вещей, которых мы не понимаем».
То, что аморфный лед средней плотности имеет почти ту же плотность, что и жидкая вода, повышает вероятность того, что это на самом деле стекло, жидкая какофония молекул, текущих до тех пор, пока не остынет, не замедлится и не застынет во времени, не кристаллизовавшись, все еще в беспорядке.
«Это ключевой вопрос, — сказал доктор Зальцманн. «МДА — это стакан жидкой воды?»
Последующие эксперименты могут добавить примеси ко льду. «Мы проводили эксперименты с чистым льдом, — сказал доктор Зальцманн. «Следующий вопрос: что произойдет, если мы начнем смешивать другие вещи?»
Выводы могут быть полезны планетологам. Температуры находятся в пределах Европы, а Юпитер оказывает огромное приливное воздействие на ледяную океаническую луну, которую посетят и внимательно изучат НАСА и европейские орбитальные аппараты.
«Вы получаете точно такое же режущее движение», — сказал доктор Зальцманн. «Сейчас предполагается, что во внешней солнечной системе может быть некоторое количество MDA».
Исследователи также обнаружили свойство МДА, уникальное среди водяных льдов. Для большинства материалов, если вы сожмете их, а затем ослабите давление, они просто вернутся в прежнее состояние. Но сжатие МДА, а затем сброс давления и нагрев привели к выбросу большого количества энергии.
Эта энергия, высвобождаемая при перекристаллизации аморфного льда, может, например, вызывать ледотрясения.
Это означает, что, возможно, физика нового льда может сыграть роль в формировании ледяной коры Европы и динамике льда глубже в лунном океане, что повлияет на то, могут ли условия там быть благоприятными для жизни.
Исправление было внесено 3 февраля 2023 г.: в более ранней версии этой статьи неверно указан угол между водородно-кислородными связями в молекуле воды это 104,5 градуса, а не 120.
No comments:
Post a Comment