|
Открытие нового льда может изменить наше представление о воде
|
|
|
|
Исследователи из UCL и Кембриджского университета обнаружили новый тип льда, который больше похож на жидкую воду, чем на любой другой известный лед, и может изменить наше представление о воде и ее многочисленных аномалиях. Недавно обнаруженный лед аморфен, то есть его молекулы находятся в неорганизованной форме, а не четко упорядочены, как в обычном кристаллическом льду. Аморфный лед, хотя и редкий на Земле, является основным типом льда, встречающимся в космосе. Это потому, что в более холодной космической среде льду не хватает тепловой энергии для образования кристаллов.
|
|
|
|
Для исследования, опубликованного в журнале Science, исследовательская группа использовала процесс, называемый шаровой мельницей, энергично встряхивая обычный лед вместе со стальными шариками в банке, охлажденной до -200 градусов по Цельсию. Они обнаружили, что вместо того, чтобы получить небольшие кусочки обычного льда, в результате процесса была получена новая аморфная форма льда, которая, в отличие от всех других известных льдов, имела ту же плотность, что и жидкая вода, и чье состояние напоминало воду в твердой форме. Они назвали новый лед «аморфным льдом средней плотности» (MDA).
|
|
|
Команда предположила, что MDA (который выглядит как мелкий белый порошок) может существовать внутри ледяных спутников внешней Солнечной системы, поскольку приливные силы от газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн, могут оказывать на обычный лед силы сдвига, подобные тем, которые создаются шаровой мельницей. . Кроме того, команда обнаружила, что когда MDA нагревался и перекристаллизовывался, он выделял необычайное количество тепла, а это означало, что он мог вызвать тектонические движения и «ледяные толчки» в многокилометровом ледяном покрове на таких спутниках, как Ганимед. Старший автор профессор Кристоф Зальцманн (Химия Калифорнийского университета) сказал: «Вода является основой всей жизни. Наше существование зависит от нее, мы запускаем космические миссии в поисках ее, но с научной точки зрения она плохо изучена.
|
|
|
|
«Нам известно о 20 кристаллических формах льда, но ранее были обнаружены только два основных типа аморфного льда, известные как аморфные льды высокой плотности и низкой плотности. Между ними существует огромный разрыв в плотности, и принято считать, что внутри этого разрыва плотности льда нет. Наше исследование показывает, что плотность MDA находится именно в пределах этого разрыва плотности, и это открытие может иметь далеко идущие последствия для нашего понимания жидкой воды и ее многочисленных аномалий».
|
|
|
|
Разрыв плотности между известными аморфными льдами привел ученых к предположению, что вода на самом деле существует в виде двух жидкостей при очень низких температурах и что теоретически при определенной температуре обе эти жидкости могут сосуществовать, причем один тип плавает над другим. как при смешивании масла и воды. Эта гипотеза была продемонстрирована при компьютерном моделировании, но не подтверждена экспериментом. Исследователи говорят, что их новое исследование может поставить под сомнение обоснованность этой идеи.
|
|
|
|
Профессор Зальцманн сказал: «Существующие модели воды необходимо перепроверить. Они должны быть в состоянии объяснить существование аморфного льда средней плотности. Это может стать отправной точкой для окончательного объяснения жидкой воды». Исследователи предположили, что недавно обнаруженный лед может быть истинным стеклообразным состоянием жидкой воды, то есть точной копией жидкой воды в твердой форме, точно так же, как стекло в окнах представляет собой твердую форму жидкого диоксида кремния. Однако другой сценарий заключается в том, что МДА вовсе не стекловидный, а находится в сильно расколотом кристаллическом состоянии.
|
|
|
|
Соавтор, профессор Андреа Селла (химия Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе) сказал: «Мы показали, что можно создать то, что выглядит как вода в покадровой анимации. Это неожиданное и довольно удивительное открытие». Ведущий автор доктор Александр Розу-Финсен, проводивший экспериментальную работу в Химическом университете Калифорнийского университета, сказал: «Мы долго трясли лед, как сумасшедшие, и разрушили кристаллическую структуру. Вместо того, чтобы получить более мелкие кусочки льда, мы поняли, что мы придумали совершенно новый вид вещей с некоторыми замечательными свойствами».
|
|
|
|
Имитируя процедуру шаровой мельницы путем многократного случайного измельчения кристаллического льда, команда также создала вычислительную модель MDA. Доктор Майкл Дэвис, который проводил компьютерное моделирование, будучи доктором философии. студент лаборатории ICE (интерфейсы, каталитические и экологические) в UCL и Кембриджском университете сказал: «Наше открытие MDA поднимает много вопросов о природе жидкой воды, и поэтому понимание точной атомной структуры MDA очень важно».
|
|
|
|
Вода имеет множество аномалий, которые долгое время ставили ученых в тупик. Например, вода имеет наибольшую плотность при температуре 4 градуса по Цельсию и становится менее плотной по мере замерзания (следовательно, лед плавает). Кроме того, чем больше вы сжимаете жидкую воду, тем легче ее сжимать, что противоречит принципам, справедливым для большинства других веществ. Аморфный лед был впервые обнаружен в форме низкой плотности в 1930-х годах, когда ученые конденсировали водяной пар на металлической поверхности, охлажденной до -110 градусов по Цельсию. Его состояние высокой плотности было обнаружено в 1980-х годах, когда обычный лед сжимался почти до -200 градусов по Цельсию. Хотя аморфный лед распространен в космосе, на Земле считается, что он встречается только в холодных верхних слоях атмосферы.
|
|
|
|
Шаровая мельница — это метод, используемый в нескольких отраслях промышленности для измельчения или смешивания материалов, но ранее не применявшийся для льда. В исследовании жидкий азот использовался для охлаждения размольного стакана до -200 градусов по Цельсию, а плотность измельченного в шаровой мельнице льда определялась по его плавучести в жидком азоте. Исследователи использовали ряд других методов для анализа структуры и свойств МДА, в том числе рентгеновскую дифракцию (просмотр картины рентгеновских лучей, отраженных от льда) и рамановскую спектроскопию (просмотр того, как лед рассеивает свет) в UCL. Химия, а также малоугловая дифракция в Центре естественной инженерии UCL для изучения его дальнодействующей структуры. Они также успешно воспроизвели процесс производства льда средней плотности в компьютерном моделировании с использованием высокопроизводительного вычислительного центра UCL Kathleen High Performance Computing Facility.
|
|
|
|
Кроме того, они использовали калориметрию для исследования тепла, выделяемого при перекристаллизации льда средней плотности при более высоких температурах. Они обнаружили, что если сжать MDA, а затем нагреть его, он высвободит удивительно большое количество энергии при перекристаллизации, показывая, что H2O может быть высокоэнергетическим геофизическим материалом, который может вызывать тектонические движения на ледяных спутниках Солнечной системы.
|
|
|
|
Источник
|
