Ученые создали странный новый тип льда, который почти такой же плотный, как вода

Исследователи создали невиданную ранее форму льда с неорганизованной структурой и плотностью, почти такой же, как у жидкой воды.

Используя сверхнизкие температуры и стальные шарикоподшипники, ученые создали совершенно новую, причудливую форму льда, имеющую ту же плотность, что и жидкая вода.

Лед, известный как аморфный лед средней плотности, заполняет пробел в анналах замерзшей воды, который, как ученые не были уверены, когда-либо будет заполнен. В отличие от кристаллического льда, который естественным образом образуется на Земле, вновь созданный лед не имеет организованной молекулярной структуры. Вместо этого его молекулы находятся в хаотическом несоответствии, больше похожем на стекло — состояние, известное как аморфное. Другие типы аморфного льда создавались и раньше, но они были либо гораздо менее плотными, либо намного более плотными, чем жидкая вода. Эта новая версия аморфного льда Златовласки находится посередине и почти точно соответствует плотности жидкой воды, как объяснили исследователи в новом исследовании, опубликованном сегодня в журнале Science (2 февраля).

«Это что-то совершенно новое», — сказал старший автор исследования Кристоф Зальцманн, профессор физической химии и химии материалов в Университетском колледже Лондона.

Когда лед на Земле обычно замерзает, его молекулы складываются в организованную кристаллическую структуру. Этот кристаллический лед — одна из странных особенностей H2O, поскольку в твердом состоянии он плавает на жидкой воде, а не тонет. Это связано с относительно большими пробелами в кристаллической структуре водяного льда по сравнению с другими материалами, которые при кристаллизации образуют более плотные структуры.

Однако при правильном обращении жидкая вода также может замерзнуть в неорганизованном, аморфном состоянии. Первое из этих состояний — аморфный лед низкой плотности — было обнаружено в 1930-х годах. Его получают путем нанесения водяного пара на очень холодные поверхности. По словам Зальцмана, этот процесс происходит естественным образом в космосе, поэтому аморфный лед низкой плотности может быть наиболее распространенной формой льда во Вселенной.

В 1980-х годах исследователи обнаружили, что они также могут производить аморфный лед высокой плотности, сжимая обычный лед при очень низких температурах. Но никто никогда не создавал аморфный лед средней плотности — то есть до тех пор, пока Зальцману и его коллегам не пришла в голову «сумасшедшая идея в пятницу днем». Они решили попробовать измельчить лед в шаровой мельнице.

Шаровая мельница — это устройство, напоминающее очень продвинутый шейкер для коктейлей. Материал помещают в камеру с шариками из нержавеющей стали и встряхивают или переворачивают до тех пор, пока материал не измельчится. По словам Зальцмана, шаровое измельчение используется во многих отраслях промышленности, но оно особенно хорошо подходит для создания аморфных материалов и измельчения мягких замороженных материалов в порошки.

«Мы сказали: «Почему бы нам не измельчить лед и посмотреть, что получится?» — рассказал Зальцманн.

Исследователи ожидали, что шаровая мельница просто разобьет кристаллы льда на более мелкие кристаллы льда. Но это не то, что произошло. Вместо этого кувыркающиеся стальные шарики разрезали и сжимали кристаллы льда, приводя их в новое состояние дезорганизации. Результат? Аморфный лед средней плотности.

Компьютерное моделирование показало, что лед изначально находится в красивом кристаллическом состоянии, а его водородные связи образуют гексагональную решетку. Случайный сдвиг в результате измельчения в шаровой мельнице толкает эти водородные связи туда и сюда, оставляя их направленными вверх и вниз хаотичным зигзагом.

Новая форма льда образуется при температуре 77 кельвинов, или минус 321 градус по Фаренгейту (минус 196 градусов по Цельсию). У него есть некоторые странные свойства, помимо его плотности в 1,06 грамма на кубический сантиметр (0,037 унции на 0,06 кубического дюйма). (Вода имеет плотность 1 грамм на кубический сантиметр, или 0,035 унции на 0,06 кубического дюйма.) Среди них, по словам Зальцмана, то, что, когда исследователи сжимали лед средней плотности и нагревали его до минус 185 F (минус 120 C) лёд рекристаллизовался, высвободив большое количество тепла.

«Что касается других форм [аморфного] льда, если вы сожмете их и ослабите давление, как будто ничего не произошло», — сказал Зальцманн. «Но MDA [аморфный лед средней плотности] каким-то образом обладает способностью хранить механическую энергию и высвобождать ее посредством нагревания».