Обнаружены экзотические кристаллы льда 19

Лед XIX (19) существует только в лабораторных экспериментах, но исследователи говорят, что он раскрывает больше о других формах льда, которые можно найти глубоко в мантии Земли и на очень холодных планетах и ​​лунах.

"Чтобы дать название новой форме льда, нужно выяснить, что именно представляет собой кристаллическая структура", - сказал ведущий исследователь Томас Лоэртинг, профессор физической химии из Университета Инсбрука в Австрии. Это означает выяснение простейшей повторяющейся структуры кристалла, где все атомы расположены внутри этой структуры, и какова симметрия кристаллической структуры, сказал Лоэртинг.

"Только если все это известно, вы можете дать своему льду имя… Лед XIX - теперь название новой ледовой фазы, обнаруженной в нашей работе", - сказал он.

Почти каждый знаком с красивым шестигранным разнообразием снежинок, которое отражает шестиугольное расположение атомов кислорода в кристаллах водяного льда, из которых они состоят.

Но обычные шестигранные кристаллы льда - льда I - на самом деле являются лишь одной из его многочисленных форм, известных как полиморфы. И до недавнего времени было официально идентифицировано 18 различных полиморфов водяного льда, хотя на Земле распространен только шестигранный лед. Хотя лед может показаться простым, это сложный материал. Например, только атомы кислорода в молекулах воды шестигранных кристаллов льда образуют гексагональную форму, а их атомы водорода ориентированы вокруг них случайным образом. Это делает лед I "неупорядоченным" или "разорванным" льдом в терминологии льда. Одним из свойств таких неупорядоченных льдов является то, что они могут деформироваться под давлением: "Это причина того, почему ледники текут", - сказал Лоэртинг.

Напротив, атомы водорода в некоторых других полиморфных модификациях льда также имеют свои собственные кристаллические структуры, и в результате их называют "упорядоченными по водороду" или "H-упорядоченными". По его словам, в отличие от неупорядоченных льдов, H-упорядоченные льды очень хрупкие и будут разрушаться, а не деформироваться.

Uni Innsbruck

В этих терминах недавно идентифицированная 19-я форма льда - это лед с H-порядком. Фактически, это H-упорядоченная форма неупорядоченного льда, называемого льдом VI, который имеет случайный узор из атомов водорода. А у льда VI также есть еще один H-упорядоченный полиморф, лед XV, в котором атомы водорода выровнены совершенно по-другому.

"Лед VI, лед XV и лед XIX очень похожи по плотности, потому что имеют одну и ту же сеть атомов кислорода", - сказал Лоэртинг. "Но они различаются положениями атомов водорода". По его словам, впервые обнаружена такая взаимосвязь между ледяными полиморфами, и это может позволить эксперименты по изучению переходов между одной формой и другой.

Команда Лертинга впервые создала лед XIX в своих лабораторных экспериментах три года назад, замедлив процесс охлаждения льда XV примерно до минус 170 градусов по Цельсию и значительно увеличив давление примерно до 2 гигапаскалей. Но детали его кристаллической структуры ускользали от них, пока они не смогли изучить его с помощью процесса, называемого дифракцией нейтронов, который может выявить атомную структуру материала, отразив от него поток нейтронов и изучив полученную дифракционную картину.

В нормальных условиях нейтронная дифракция требует замены воды в образце тяжелой водой, содержащей дополнительные нейтроны. Но чистая тяжелая вода была непрактичной для экспериментов со льдом XIX, потому что она замерзает намного медленнее, сказал Лоэртинг. Прорыв состоял в том, чтобы дозировать тяжелую воду частью обычной легкой воды, получая воду, которая быстро замерзает, но все же допускает дифракцию нейтронов.

Лоэртинг объяснил, что структура водяного льда является ключом к природе водородной связи, которая не совсем понятна. Это также важно для понимания небесных тел, таких как ледяные гиганты Уран и Нептун, а также ледяные луны Юпитера (включая Европу, Ио и Ганимед), где обнаружены некоторые другие ледяные полиморфы.

"В астрофизике очень интересно знать плотность и свойства ледяных фаз, чтобы иметь возможность понять поведение ледяной мантии или ледяных ядер этих небесных тел", - сказал он.

И есть еще много других полиморфов льда. Открытие льда XIX - уже шестое обнаружение ледяных полиморфов в Университете Инсбрука с 1980-х годов, и Лортинг надеется, что его команда обнаружит и следующий. "Гонка за льдом XX началась вчера, и я надеюсь, что моя исследовательская группа найдет его", - сказал он.

Источник