Учёные создали лёд, который не тает при комнатной температуре: рождение XXI фазы

Мир воды, казалось бы, давно изучен: H₂O — самая простая и знакомая субстанция на Земле. Но именно она продолжает удивлять физиков и химиков. Недавно группа исследователей создала совершенно новый тип льда, который остаётся твёрдым даже при обычных условиях. Его назвали лёд XXI, и он может изменить представление о том, как формируются планеты и спутники во Вселенной.

Как вода становится льдом XXI

Чтобы получить эту уникальную форму вещества, учёные сжали воду между двумя алмазами. Эксперимент проходил с использованием Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL) — самого мощного в мире источника рентгеновских импульсов. Лазер позволил буквально заглянуть внутрь молекулярной структуры воды в момент трансформации.

При колоссальном давлении — примерно в 20 тысяч раз выше атмосферного - молекулы воды сжались настолько, что образовали кристаллическую решётку новой формы. Именно в этих экстремальных условиях появилась 21-я известная фаза льда.

"Наши результаты показывают, что может существовать большее количество высокотемпературных метастабильных ледяных фаз и связанных с ними путей перехода, что потенциально открывает новые возможности для понимания состава ледяных спутников", — заявила научный сотрудник Немецкого центра исследований электронного синхротрона Рэйчел Хасбэнд.

Метастабильное состояние воды

Лёд XXI относится к так называемым метастабильным состояниям. Это особое состояние вещества, при котором структура вроде бы устойчива, но малейшее внешнее воздействие — изменение температуры, давления или вибрация — может её разрушить. Именно поэтому создание и сохранение такого льда требует предельной точности.

Учёные добились стабильности фазы при комнатной температуре — около 22 °C, что само по себе революционно. Обычно лёд существует только при низких температурах, но здесь вода остаётся твёрдой без охлаждения, благодаря экстремальному давлению.

Что делает XFEL особенным

Рентгеновский лазер XFEL позволил исследователям наблюдать процесс превращения воды в лёд XXI в реальном времени. Его пучки света фиксировали микроскопические изменения в структуре молекул с интервалом в одну микросекунду - миллионную долю секунды.

"Благодаря уникальным рентгеновским импульсам европейского XFEL мы обнаружили множественные пути кристаллизации в H₂O, которая быстро сжималась и разжималась более 1000 раз с использованием динамической ячейки с алмазными наковальнями", — отметил исследователь из Корейского института стандартов и науки Гын У Ли.

Почему это важно для космоса

На первый взгляд, открытие нового типа льда может показаться чисто лабораторным успехом. Но его значение выходит далеко за рамки земной науки. Исследователи предполагают, что подобные формы льда могут существовать на ледяных спутниках Юпитера и Сатурна - там, где давление и температура создают условия, похожие на экспериментальные.

Если гипотеза подтвердится, то лёд XXI поможет объяснить происхождение некоторых аномалий в составе подповерхностных океанов и атмосфер планет-гигантов.

Сравнение известных фаз льда

Как учёные создают сверхлёд: пошагово

1. В камеру с алмазной наковальней помещают микрокаплю воды.

2. Постепенно повышают давление, достигая 20 000 атмосфер.

3. Используют XFEL для сканирования образца в режиме реального времени.

4. Наблюдают момент перехода воды в метастабильную фазу.

5. Фиксируют параметры новой структуры и проводят анализ устойчивости.

Эта процедура требует оборудования, которое есть лишь в нескольких лабораториях мира. Даже малейшая ошибка способна разрушить ледяную решётку и вернуть вещество в жидкое состояние.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: попытка снизить давление слишком быстро.

• Последствие: кристаллическая структура не успевает стабилизироваться, лёд распадается.

• Альтернатива: применять динамическую ячейку с контролируемым циклом сжатия и разжатия, как в XFEL.

А что если лёд XXI использовать на Земле?

Пока этот лёд можно получить только в лаборатории, но учёные не исключают, что в будущем его свойства помогут разработать новые материалы - сверхплотные, устойчивые к высоким температурам и способные хранить энергию.
Теоретически, если научиться стабилизировать лёд XXI без давления, можно будет создать принципиально новые формы хранения воды и даже топлива.

Плюсы и минусы открытия

FAQ

Какой лёд XXI по счёту?
Это 21-я открытая форма льда, отсюда и римское обозначение XXI.

Может ли лёд XXI существовать в природе?
Да, вероятно — в недрах ледяных планет и спутников, где давление схоже с лабораторным.

Почему именно алмазы?
Алмазы — самые твёрдые природные материалы, поэтому они способны выдержать огромное давление, не разрушая образец.

Можно ли увидеть лёд XXI?
Пока нет. Он существует в микроскопических объёмах и виден только с помощью рентгеновского оборудования.

Мифы и правда

Миф: лёд XXI можно сделать дома, если сильно охладить воду.
Правда: для его создания нужны давление и лазер, недостижимые вне лаборатории.

Миф: этот лёд горячий на ощупь.
Правда: он сохраняет твёрдость при комнатной температуре, но не выделяет тепла.

Миф: открытие не имеет практического значения.
Правда: понимание метастабильных фаз важно для физики материалов и космохимии.

Три интересных факта

• Всего известно более двадцати различных форм льда — от обычного до "горячего" суперионного.
• XFEL способен создавать кадры с частотой до миллиона снимков в секунду.
• Подобные эксперименты помогают понять, как вода ведёт себя внутри планет, где давление достигает миллионов атмосфер.

Исторический контекст

Первые необычные фазы льда начали изучать ещё в XX веке, когда физики обнаружили, что при разных давлениях H₂O может кристаллизоваться множеством способов. С каждым новым открытием картина усложнялась: оказалось, что вода — одна из самых изменчивых субстанций в природе.

Лёд XXI стал очередным подтверждением того, что даже привычная капля воды может хранить тайны далёких миров.