Не для коктейлей. Британские ученые создали новый вид льда с уникальными свойствами
Новый лед был создан с помощью пошипников из нержавейки (Фото:Alexander Rosu-Finsen, Christoph Salzmann)
Используя шариковые подшипники, команда из Университетского колледжа Лондона получила лед, который имеет ту же плотность, что и вода.
Форма льда, известная как аморфный лед средней плотности, считается одним из промежуточных состояний воды. Ранее его существование считалось возможным сугубо теоретически, но у британских ученых получилось создать его на практике.
В отличие от кристаллического льда, который естественным образом образуется на Земле, лед средней плотности не имеет организованной молекулярной структуры. Его молекулы расположены хаотично.
Обычно при замерзании молекулы воды складываются в организованную кристаллическую структуру. В результате получается твердое вещество, которое уверенно удерживается на поверхности воды за счет относительно больших зазоров в кристаллической решетке.
Это является редкой особенностью воды, ведь другие вещества, в основном, при переходе в твердое состояние образуют более плотные структуры.
При определенных обстоятельствах вода может замерзнуть в неорганизованном, аморфном состоянии. Это часто случается в природе, но также процесс можно воспроизвести в лаборатории. Правда, ранее ученым удавалось создавать аморфный лед либо слишком низкой, либо, наоборот, более высокой плотности, чем обычный кристаллический.
Аморфный лед низкой плотности, впервые был создан искусственно в 1930-х годах. Это делалось путем осаждения водяного пара на очень холодные поверхности. Как объясняет автор нынешнего исследования, профессор физической химии и химии материалов в Университетском колледже Лондона Кристоф Зальцманн, процесс создания аморфного льда низкой плотности происходит естественным образом в космосе, поэтому это вещество 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.
Никто никогда не создавал аморфный лед средней плотности до тех пор, пока Зальцману и его коллегам не пришла в голову «безумная идея пятничного дня». Ученые умы решили попробовать измельчить лед в барабанно-шаровой мельнице.
Это устройство очень похоже на продвинутый шейкер для коктейлей. Принцип его работы заключается в измельчении вещества с помощью шариков из нержавеющей стали, помещенных в барабан. По словам Зальцманна, барабанно-шаровая мельница используется во многих отраслях промышленности, но особенно хорошо она подходит для создания аморфных материалов и измельчения замороженных веществ до порошкообразного состояния.
Исследователи ожидали, что шаровая мельница просто разобьёт кристаллы льда на более мелкие. Но произошло кое-что страное.
Вместо этого падающие стальные шарики разрезали и сжали лед, изменив структуру кристаллической решетки
Новая форма льда была образована при температуре 77 кельвинов, или — 196 °C. Его плотность составляет 1,06 грамма на см куб., что почти идентично плотности воды (1 г на см куб.).
Но это не единственная странность нового состояния воды.
Когда исследователи сжали полученный лед средней плотности и нагрели его до -120 °C, лед перекристаллизовался, выделив большое количество тепла.
«С другими формами [аморфного] льда, если вы сожмете их и ослабите давление, ничего не произойдет, — сказал Зальцманн. Но MDA [аморфный лед средней плотности] каким-то образом обладает способностью накапливать механическую энергию и высвобождать ее при нагревании».
По словам Зальцманна, аморфный лед средней плотности может естественным образом образовываться на ледяных спутниках газовых гигантов, где гравитационные силы сжимают и сдвигают лед. Если это так, то механическая энергия, хранящаяся в этой форме льда, может влиять на тектонику этих лун.
