Исследователи создали новый лед XXI под экстремальным давлением и заморозкой за микросекунды.
Исследователи создали новый лед XXI под экстремальным давлением и заморозкой за микросекунды.
Исследователи создали новый лед XXI под экстремальным давлением и заморозкой за микросекунды.
Новый лед XXI: наука о воде переосмыслена благодаря экстремальным условиям
Группа ученых-материаловедов из Великобритании и США совершила прорыв в фундаментальной химии, объявив об успешном создании нового льда XXI — совершенно новой формы водяного льда, ранее не наблюдавшейся ни в природе, ни в лаборатории.
Это открытие, расширяющее границы нашего понимания самого распространенного вещества на Земле, было достигнуто путем воздействия на обычную воду экстремального давления — более чем в 350 000 раз превышающего атмосферное — в сочетании со сверхбыстрой микросекундной ударной волной заморозки.
Полученная кристаллическая структура, официально обозначенная как Лед XXI, считается самой плотной формой льда, когда-либо синтезированной в лабораторных условиях.
Эксперимент проводился с использованием мощных алмазных наковален и высокоскоростных лазерных импульсов, что позволило исследователям сжать воду до сверхплотного жидкого состояния, а затем быстро заморозить ее менее чем за миллионную долю секунды.
Полученная фаза, Новый Лед XXI, демонстрирует несимметричное тетраэдрическое кристаллическое расположение. Ее плотность превышает 1,8 г/см³, что значительно выше плотности стандартного Льда Ih (которая составляет 0,9167 г/см³).
Это замечательное открытие добавляет новую главу к сложной фазовой диаграмме воды, которая теперь выделяет более 20 различных кристаллических и аморфных структур.
Это открытие имеет глубокие последствия для планетологии, потенциально проливая свет на внутренний состав ледяных лун и далеких экзопланет.
Основные моменты
Открытие фазы:
Исследователи успешно создали новый лед XXI, совершенно новую форму водяного льда, официально обозначенную как лед фазы XXI.
Экстремальные условия:
Лед образовался под экстремальным давлением (более 35 ГПа) в сочетании со сверхбыстрой микросекундной ударной волной замерзания.
Рекордная плотность:
Считается, что лед XXI является самой плотной формой водяного льда из когда-либо синтезированных, с плотностью, превышающей 1,8 г/см³.
Влияние на планетологию:
Это открытие имеет решающее значение для моделирования внутренних областей ледяных лун, таких как Европа и Ганимед, и для понимания структуры богатых водой экзопланет.
Пересмотренная фазовая диаграмма:
Это открытие требует пересмотра сложной фазовой диаграммы воды, добавив 21-ю известную кристаллическую структуру.
Кристаллическая структура, ранее не встречавшаяся
Фазовое поведение воды, как известно, чрезвычайно сложное. Хотя обычный лед (Ice I₂h) является одним из немногих твердых тел, плотность которых ниже плотности его жидкой формы — именно поэтому лед плавает, — большинство фаз льда, образующихся при высоком давлении, значительно плотнее.
Предыдущий рекорд плотности принадлежал льду X, который образуется в условиях, сравнимых с условиями, наблюдаемыми в глубинах Юпитера.
Однако уникальная несимметричная кристаллическая структура нового льда XXI указывает на то, что экстремальные динамические условия, использованные для его создания, привели к тому, что молекулы воды упаковались таким образом, который был невозможен при предыдущих экспериментах со статическим давлением из-за кинетических барьеров.
Для анализа нового материала команда использовала мощную синхротронную рентгеновскую дифракцию, которая подтвердила существование уникальной, высокоупорядоченной, но сильно искаженной кристаллической структуры.
Синтез требовал поддержания экстремального давления при одновременном отводе тепла, генерируемого ударной волной сжатия, с помощью инфракрасного лазера, что демонстрирует мастерство материаловедения в экстремальных, неравновесных термодинамических условиях.
Последствия для планетологии и материаловедения
Открытие нового льда XXI — это не просто академическая новинка; оно имеет прямое отношение к планетологии. Считается, что ледяные спутники во внешней части Солнечной системы, такие как Европа Юпитера и Ганимед Сатурна, содержат слои льда высокого давления под своей замерзшей корой и подповерхностными океанами.
Ученым теперь необходимо учитывать возможность существования фаз, подобных льду XXI, глубоко внутри этих планетных тел, изменяя модели внутреннего теплоудержания, конвекции и, возможно, стабильности их жидких океанов, которые являются ключевыми целями в поисках внеземной жизни.
Более того, используемая методика — динамическое сжатие в сочетании с микросекундной заморозкой — открывает новые возможности для материаловедения.
Она позволяет исследователям обходить промежуточные фазы с более низким давлением и напрямую получать доступ к высокоплотным, высокоупорядоченным кристаллическим структурам других распространенных жидкостей. Это может произвести революцию в создании новых материалов с уникальными свойствами, используя быстрые фазовые переходы в экстремальных условиях.
Существование Нового Льда XXI доказывает, что после столетий изучения фундаментальная химия воды продолжает хранить поразительные секреты при правильных — или, в данном случае, самых экстремальных — условиях.
