Китайские ученые выяснили, что спорный вариант льда все же может существовать в природе




Фото из открытых источников
На молекулярном уровне водяной лед может образовываться из самых разных структур. Хотя все они довольно похожи по внешнему виду, различия в их свойствах означают, что разные структуры затвердевшей H2O могут реагировать и вести себя по-разному.
 
Одна из таких фаз называется кубическим льдом, и она является предметом постоянных научных дискуссий. На самом деле, некоторые исследователи даже задаются вопросом, существует ли он на самом деле. Лед, который ранее описывался как в основном кубический, на самом деле может быть смесью, содержащей другие, более распространенные типы льда.
 
В новом исследовании, которое было опубликовано в журнале Nature, ученые из Китайской академии наук (CAS) и других учреждений утверждают, что создали довольно чистый кубический лед — или Ice Ic, если использовать его технический термин. Выводы могут иметь значение во всем, от изменения климата до материаловедения.
 
«Здесь ведутся давние споры о том, может ли вода замерзнуть, образуя кубический лед — в настоящее время не описанную фазу в фазовом пространстве обычного гексагонального льда», — пишут исследователи в своей опубликованной статье.
 
Фаза льда определяется условиями окружающей среды, такими как температура и давление, которые влияют на его формирование. В кубическом льду молекулы воды и кристаллы льда расположены кубическим образом, отсюда и название.
 
Используя технику, известную как просвечивающая электронная микроскопия, команда изучила лед, образующийся на двумерных листах углерода, называемых графеном, при очень низких температурах. Для этого применяются пучки электронов и их реакцию на объекты изображения на молекулярном уровне.
 
Образовавшийся лед был в основном кубическим льдом, с меньшим количеством более правильного шестиугольного льда рядом с ним. Ученые говорят, что образование двух ледяных фаз может дать ученым понять, почему кубический лед не проявлялся должным образом в прошлых экспериментах.
 
«Обнаруженные чистофазные монокристаллы полностью демонстрируют гетерогенное зародышеобразование чистофазного льда Ic при текущих условиях», — пишут исследователи.
 
Как сообщает команда, переходов между кубическим и шестиугольным льдом не наблюдалось, и кубический лед оставался стабильным в условиях эксперимента: -171 градус Цельсия. Эта стабильность была проблемой в прошлом.
 
Как показывает этот эксперимент, кубический лед с большей вероятностью образуется при очень низких температурах, намного ниже тех, которые можно было бы получить, например, в домашнем морозильнике. Это означает, что понимание важно для изучения льда в верхних слоях атмосферы, льда, используемого для криоконсервации, и так далее.
 
Дело еще не совсем закрыто, и исследователи признают, что необходимы дальнейшие исследования, чтобы подтвердить существование и свойства кубического льда, в том числе то, как его дефекты могут влиять на его поведение.
 
«Изучение структуры и динамики дефектов Ice Ic обеспечивает ключевой шаг к пониманию пластичности льда на молекулярном уровне», — пишут исследователи.