Исследователи из Инсбрукского университета (Австрия) определили кристаллическую структуру экзотического льда XIX, использовав метод нейтронной дифракции, сообщает пресс-служба вуза. Открытие подробно описано в журнале Nature Communications.
Лед – универсальное вещество. В снежинках или кубиках льда атомы кислорода расположены гексагонально (в форме шестиугольника). Такая форма известна как лед I. На самом деле это не идеальные кристаллы, а неупорядоченные системы, в которых молекулы воды случайным образом ориентированы в разных пространственных направлениях. До сих пор было известно 18 кристаллических форм льда, которые различаются расположением атомов. Различные типы льда, известные как полиморфы, образуются в зависимости от давления и температуры и обладают очень разными свойствами. Например, их температуры плавления различаются на несколько сотен градусов по Цельсию. Разные виды льда могут отличаться друг от друга по форме так же сильно, как алмаз и графит, которые состоят из чистого углерода.
Когда обычный лед I сильно охлаждается, атомы водорода могут периодически располагаться в дополнение к атомам кислорода, если эксперимент проводится правильно. Если температура опускается ниже минус 200 градусов Цельсия, может получиться лёд XI, в котором все молекулы воды упорядочены по определенной схеме. Такие упорядоченные формы льда отличаются от неупорядоченных родительских форм, особенно электрическими свойствами.
В данной исследовании химики взяли в качестве родительской формы лёд VI, которая образуется при высоком давлении, например, в мантии Земли. Подобно гексагональному льду, эта форма льда под высоким давлением не является полностью упорядоченным кристаллом. Более 10 лет назад исследователи из Инсбрукского университета создали вариант этого льда, упорядоченный по водороду, который вошел в учебники как лед XV. Изменив производственный процесс, три года назад учёным впервые удалось создать вторую производную форму льда VI. Для этого они значительно замедлили процесс охлаждения и увеличили давление примерно до 20 кбар. Это позволило им расположить атомы водорода в кислородной решетке и образовать лед XIX. «В то время мы нашли четкие доказательства того, что это новый упорядоченный вариант, но мы не смогли выяснить кристаллическую структуру», – отмечают авторы работы. Теперь команде удалось сделать это, использовав нейтронную дифракцию.
При исследовании с помощью дифракции нейтронов необходимо заменить легкий водород в воде дейтерием («тяжелым водородом»). Но это, к сожалению, также меняет временные рамки для формирования льда.
Чтобы преодолеть эту трудность, ученые добавили немного обычной воды в «тяжелую воду», что, как оказалось, значительно ускорило процесс. Получив лед таким образом, ученые наконец смогли измерить нейтронные данные на приборе высокого разрешения HRPD и определить кристаллическую структуру льда XIX. Для этого потребовалось найти лучшую кристаллическую структуру из нескольких тысяч кандидатов по измеренным данным - очень похоже на поиск иголки в стоге сена. Японская исследовательская группа подтвердила результат коллег из Инсбрука в другом эксперименте при других условиях давления. Обе статьи опубликованы совместно в Nature Communications.
Хотя на Земле много обычного льда и снега, никаких других форм, кроме основной – первой – на поверхности нашей планеты не встречается. Остальные можно получить только в исследовательских лабораториях. Тем не менее, лед VI и лед VII, находящиеся под высоким давлением, можно встретить как включения в алмазах. Многие разновидности водяного льда образуются на просторах космоса при особых условиях давления и температуры. Они встречаются, например, на небесных телах, таких как спутник Юпитера Ганимед, который покрыт слоями льда различных видов.
Лед XV и лед XIX представляют собой первую родственную пару в физике льда, в которой решетка кислорода одинакова, но атомы водорода расположены по-разному. «Это также означает, что впервые теперь можно будет реализовать переход между двумя упорядоченными формами льда в экспериментах», – отмечают авторы работы.
[Иллюстрация: UNI INNSBRUCK]
