|
Открыли лёд XXI - неизвестную ранее форму льда
|
|
|
|
Корейский научно-исследовательский институт стандартов и науки (KRISS, президент Ли Хо Сон) впервые успешно наблюдал процесс многократного замораживания-таяния воды при сверхвысоком давлении, превышающем 2 гигапаскаля (2 ГПа) при комнатной температуре, в масштабе микросекунды (мкс, миллионная доля секунды). Этот прорыв привел к первому в мире открытию ранее неизвестного способа кристаллизации воды и новой 21-й стадии образования льда, получившей название Ice XXI.
|
|
|
|
Хотя лед обычно образуется, когда вода охлаждается ниже 0 °C, он может образовываться и при комнатной температуре или даже при повышенных температурах, превышающих температуру кипения. Это связано с тем, что на кристаллизацию — процесс, при котором жидкость превращается в твердое вещество, — влияет не только температура, но и давление. При комнатной температуре вода под давлением, превышающим 0,96 ГПа, претерпевает фазовый переход в кристаллы льда, то есть в Ice VI.
|
|
|
|
Когда вода замерзает, сеть водородных связей между молекулами воды причудливо искажается и перестраивается в зависимости от температуры и давления, что приводит к образованию различных фаз льда в процессе кристаллизации.
|
|
|
|
Более глубокое понимание этих сложных фазовых переходов и механизмов структурного формирования воды и льда, а также способность управлять ими в экстремальных условиях давления и температуры могут привести к созданию новых материалов, ранее не встречавшихся на Земле.
|
|
|
|
|
|
|
За прошедшее столетие исследователи по всему миру выявили 20 различных фаз кристаллического льда* путем изменения температуры и давления. Эти фазы были обнаружены в чрезвычайно широком диапазоне температур — более 2000 К и давлении более 100 ГПа. Среди них область между атмосферным давлением (0 ГПа) и 2 ГПа особенно важна, поскольку она представляет собой наиболее сложную зону фазовых переходов воды, где плотно сгруппировано более десяти ледяных фаз.
|
|
|
|
* Ранее сообщалось о фазах льда от I до XX. Лед I существует в двух структурных формах: шестиугольный лед Ih и кубический лед Ic.
|
|
|
|
Группа космической метрологии KRISS успешно достигла сверхсжатого жидкого состояния, при котором вода остается в жидком состоянии при высоком давлении, превышающем 2 ГПа при комнатной температуре, что более чем в два раза превышает известное давление кристаллизации, с помощью разработанной собственными силами ячейки dynamic diamond anvil (dDAC*).
|
|
|
|
* dDAC - это устройство высокого давления, в котором используется пара алмазных и пьезоэлектрических приводов для динамического контроля и наблюдения за изменениями давления в микроскопической пробе воды.
|
|
|
|
В отличие от обычных алмазных опорных элементов (DAC), которые увеличивают давление за счет затяжки монтажных болтов и часто вызывают легкое образование зародышей из-за перепадов давления и механических воздействий, dDAC, разработанный компанией KRISS, сводит к минимуму механические удары при сжатии и сокращает время сжатия с десятков секунд до всего лишь 10 миллисекунд (мс). Это новшество позволило значительно сжать воду до уровня давления, необходимого для фазы Ice VI.
|
|
|
|
Исследовательская группа международного сотрудничества, возглавляемая учеными KRISS, запечатлела процесс кристаллизации воды со сверхсжатым давлением, используя комбинацию dDAC и европейского XFEL (крупнейшего в мире рентгеновского лазера на свободных электронах) с микросекундным временным разрешением. Благодаря этим наблюдениям команда обнаружила очень сложные множественные пути кристаллизации, которые ранее были неизвестны при комнатной температуре, и показала, что эти пути протекают через новую фазу льда, получившую название Ice XXI, которая впервые в мире является 21-й фазой кристаллического льда.
|
|
|
|
Исследовательская группа KRISS детально изучила структуру льда XXI, а также многочисленные пути кристаллизации. Удивительно, но лед XXI, образовавшийся при комнатной температуре, обладает удивительно большой и сложной элементарной ячейкой — наименьшим повторяющимся элементом кристаллической решетки — по сравнению с ранее известными фазами льда. Его кристаллическая структура имеет уплощенную прямоугольную форму, в которой два основных края равны по длине.
|
|
|
|
Этот прорыв был достигнут благодаря масштабному международному сотрудничеству с участием 33 ученых из Южной Кореи, Германии, Японии, США, Англии, а также исследователей из европейских университетов XFEL и DESY. Проект был разработан Криссом под руководством доктора Ли Гын Ву, который был главным исследователем (PI).
|
|
|
|
Исследовательская группа KRISS, включающая доктора Ким Джин Кюна (соавтор, научный сотрудник в KRISS), доктора Ким Ен Чжэ (соавтор, бывший научный сотрудник в KRISS, а ныне в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса), доктора Ли Юн Хи (соавтор, главный научный сотрудник Ученый), доктор Ким Минджу (соавтор, научный сотрудник постдокторской степени), доктор Чо Ен Чан (соавтор, главный научный сотрудник) и доктор Ли Гын Ву (автор-корреспондент, главный научный сотрудник) - сыграли ведущую роль в разработке эксперимента, сборе данных и структурном анализе. Их лидерство и неустанные усилия сыграли ключевую роль в первом в мире открытии льда XXI, что ознаменовало собой важный шаг вперед в науке о высоких давлениях и планетах.
|
|
|
|
Доктор Ли Юн Хи заявил: “Плотность льда XXI сравнима со слоями льда высокого давления внутри ледяных спутников Юпитера и Сатурна. Это открытие может дать новые ключи к изучению происхождения жизни в экстремальных условиях космоса”.
|
|
|
|
Доктор Ли Гын Ву заявил: “Объединив разработанную нами технологию dDAC с XFEL, мы смогли запечатлеть мимолетные моменты, которые были недоступны с помощью обычных приборов. Продолжение исследований в области сверхвысокого давления и других экстремальных сред откроет новые горизонты в науке”.
|
|
|
|
Источник
|
