Лед
Лед
Алина Семёнова Опубликована вчера в 23:31

Тайна ледяных планет раскрыта: новый вид льда объяснил загадки космоса

NP: немецкие физики обнаружили 21-ю форму льда, способную существовать при комнатной температуре

Вода снова преподнесла сюрприз. Немецкие исследователи совместно с коллегами из Швеции и Франции обнаружили новую, ранее неизвестную форму льда, которая сохраняет стабильность даже при нормальных условиях. Этот результат переворачивает представления о поведении воды в экстремальных средах и может помочь понять процессы, происходящие внутри ледяных спутников Юпитера.

Открытие, опубликованное в Nature Physics, стало возможным благодаря эксперименту на мощнейшем рентгеновском лазере European XFEL в Гамбурге — одном из самых передовых научных инструментов Европы.

Как создавался лёд XXI

Исследователи сжали воду до давления в 20 000 атмосфер в специальной алмазной ячейке. Под таким колоссальным давлением структура молекул изменилась, но не успела принять привычную кристаллическую форму — процесс синтеза занял всего 10 миллисекунд.

В результате возникла метастабильная фаза - то есть состояние, устойчивое, но не постоянное, с тетрагональной решёткой, отличающейся от всех известных видов льда. Так на свет появился лёд XXI, уникальный по плотности и твёрдости.

"Мы смогли зафиксировать момент перестройки молекул воды в реальном времени", — отметили исследователи проекта XFEL.

Для фиксации изменений использовали рентгеновские импульсы длительностью 50 фемтосекунд - это одна квадриллионная доля секунды. Такая сверхточность позволила буквально "увидеть", как перестраиваются атомы внутри кристалла.

Почему это открытие важно

До сих пор науке было известно 20 различных кристаллических форм воды. Каждая из них возникает при определённой комбинации давления и температуры — от привычного нам снега до сверхплотных структур, существующих в недрах планет. Лёд XXI стал двадцать первой формой и разрушил прежние представления о границах устойчивости воды.

Его устойчивость при комнатной температуре и высоком давлении открывает путь к изучению новых состояний вещества, которые ранее считались невозможными. Особенно это важно для планетологии: аналогичные условия существуют в недрах спутников Юпитера — Европы и Ганимеда. Там лёд под давлением способен образовывать экзотические фазы, от которых зависит распределение океанов и форма планетных оболочек.

"Это открытие меняет наше понимание того, как ведёт себя вода в экстремальных средах", — подчеркнули авторы работы.

Как работает установка XFEL

Рентгеновский лазер European XFEL способен генерировать импульсы в миллиарды раз ярче обычных источников. Его лучи позволяют наблюдать атомные процессы с точностью, недостижимой ранее.

Эксперимент проходил на двух установках — XFEL и PETRA III, синхротронном источнике излучения в Гамбурге. Одновременно измерялись давление, температура и структура образца. Эта комбинация позволила впервые получить чёткое изображение структуры льда XXI.

Благодаря XFEL исследователи теперь могут не только создавать новые состояния воды, но и следить за процессом их формирования в режиме реального времени, что делает установку незаменимой для исследований в физике и материаловедении.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

  1. Ошибка: Считать, что вода имеет фиксированные пределы кристаллизации.
    Последствие: Недооценка метастабильных фаз и их роли в планетных процессах.
    Альтернатива: Использование ультрабыстрых лазеров и моделирование динамики структур.

  2. Ошибка: Изучать лёд только при низких температурах.
    Последствие: Пропуск ключевых переходных состояний, устойчивых при высоком давлении.
    Альтернатива: Проведение экспериментов в условиях сверхдавления при комнатной температуре.

  3. Ошибка: Полагать, что все формы льда одинаковы по свойствам.
    Последствие: Ошибки при моделировании климатов и недр ледяных планет.
    Альтернатива: Исследование плотности, твердости и термостабильности новых фаз воды.

Таблица "Сравнение": формы льда

Название Условия образования Решётка Особенности
Лёд I (обычный) 1 атмосфера, < 0°C Гексагональная Прозрачный, хрупкий
Лёд VII >30 000 атмосфер, 0°C Кубическая Плотный, встречается в недрах планет
Лёд XIX -143°C, высокое давление Тетрагональная Упорядоченные молекулы
Лёд XXI 20 000 атмосфер, 25°C Тетрагональная (метастабильная) Сохраняет структуру при комнатной температуре

Что делает лёд XXI особенным

Главное отличие нового типа — устойчивость вне привычных "ледяных" условий. Он не тает мгновенно при комнатной температуре, если сохраняется высокое давление. Более того, в отличие от обычного льда, его структура не разрушает молекулярные связи — они лишь перестраиваются, формируя прочную решётку.

Такой лёд способен сохранять энергию в виде упорядоченной структуры, что может найти применение в материаловедении и крионике. Учёные рассматривают возможность создания новых сверхтвёрдых материалов на основе аналогичных принципов фазового перехода воды.

А что если…

Что если подобные формы воды существуют и без лабораторных условий? Возможно, они уже присутствуют в глубинах ледяных спутников — там, где давление достигает миллионов атмосфер. Если лёд XXI или его аналоги устойчивы, это значит, что океаны под поверхностью Европы или Энцелада могут быть окружены плотными кристаллическими слоями, влияющими на гравитацию и геотермику этих миров.

Это открывает новые горизонты в поиске жизни за пределами Земли: условия, где лёд необычайно плотен и стабилен, могут служить защитой для подповерхностных океанов.

Таблица "Плюсы и минусы" нового открытия

Аспект Плюсы Минусы
Фундаментальная наука Расширяет модель фаз воды Требует сложных условий синтеза
Планетология Помогает объяснить строение ледяных спутников Нужны данные о поведении при сверхдавлениях
Материаловедение Возможность создать устойчивые структуры Пока нет способов стабилизировать лёд XXI при нормальном давлении

Советы шаг за шагом: как исследуют новые фазы

  1. Подготовка образца. Каплю воды помещают в алмазную ячейку, способную выдержать десятки тысяч атмосфер.

  2. Сжатие и нагрев. Давление и температура регулируются микроскопическими поршнями и лазерами.

  3. Рентгеновское сканирование. Молекулярные изменения фиксируются в фемтосекундном масштабе.

  4. Анализ структуры. Компьютерные модели подтверждают устойчивость и симметрию решётки.

Эта методика позволяет создавать не только новые виды льда, но и метастабильные фазы других веществ, включая углерод, кремний и аммиак.

Исторический контекст

Изучение льда — одно из старейших направлений физики твёрдого тела. С XVIII века известно, что вода может принимать необычные формы, но лишь с развитием сверхмощных источников излучения стало возможно наблюдать их напрямую.

Первые искусственные формы льда были открыты в начале XX века, а в XXI столетии — благодаря ускорителям и рентгеновским лазерам — человечество буквально увидело, как молекулы воды перестраиваются под давлением. Лёд XXI стал символом этой новой эпохи — эпохи, когда материя раскрывает свои тайны в замедленной съёмке времени.

Интересные факты

  1. Давление 20 000 атмосфер эквивалентно весу Эвереста, действующему на площадь в один квадратный сантиметр.

  2. XFEL — крупнейший в мире рентгеновский лазер, длина его тоннеля составляет 3,4 километра.

  3. Учёные уже тестируют подобные условия на жидком аммиаке и метане, чтобы найти "лёд XXI" других элементов.

FAQ

Почему лёд XXI не тает при комнатной температуре?
Потому что удерживается высоким давлением, стабилизирующим молекулярную решётку.

Можно ли получить такой лёд в домашних условиях?
Нет. Требуются экстремальные давления и сверхточные лазерные установки.

Где может существовать лёд XXI в природе?
В недрах ледяных планет и спутников, где давление превышает десятки тысяч атмосфер.

Подписывайтесь на NewsInfo.Ru

Читайте также

PNAS: формы сталагмитов подчиняются строгому математическому закону сегодня в 1:22
Математика капли: как природа превратила хаос в идеальные формы

Учёные вывели математическое уравнение, объясняющее все формы сталагмитов, и доказали, что красота подземных пещер подчиняется строгим законам природы.

Читать полностью »
Нутрициолог Иванова: кофе даёт ложное ощущение бодрости по утрам сегодня в 0:16
Утро без кофе оказалось лучше: вот что происходит, если заменить его какао

Почему чашка какао может стать лучшим началом дня, чем кофе? Разбираемся, как мягкий стимулятор теобромин помогает сохранять бодрость без скачков энергии и стресса.

Читать полностью »
В итальянском озере Меццано обнаружены 600 свай древнего поселения бронзового века вчера в 19:34
Древний город под водой: в итальянском озере нашли сокровища бронзового века

Подводные археологи исследовали озеро Меццано в Лацио и нашли следы огромного свайного поселения бронзового века с десятками бронзовых артефактов и уникальной уздечкой с солнечным символом.

Читать полностью »
Мекоцци: в окрестностях Рима обнаружены следы обработки костей слонов древними людьми вчера в 19:02
На месте будущего Рима кипела охота: древние люди превратили слонов в оружие

400 тысяч лет назад древние люди под Римом разделывали гигантских слонов и превращали их кости в инструменты. Новое исследование раскрывает детали этой удивительной практики.

Читать полностью »
Профессор Финли: европейские спутники зафиксировали изменения магнитного поля Земли вчера в 18:55
Тревожные новости с орбиты: спутники фиксируют ослабление магнитного щита планеты

Учёные зафиксировали рост Южно-Атлантической аномалии — области ослабленного магнитного поля Земли. Она расширяется в сторону Африки и может угрожать спутникам.

Читать полностью »
Средневековые арабские поэты 11 и 10 веков описали взрывы звёзд вчера в 18:28
Звёзды падали с неба, а поэты слагали стихи: средневековые арабы первыми описали взрывы сверхновых

В арабских рукописях нашли описания двух галактических сверхновых — SN 1006 и SN 1181. Эти тексты помогают астрономам восстановить детали древних взрывов звёзд.

Читать полностью »
Телескоп Джеймс Уэбб зафиксировал изменения в кольцах астероида Харикло вчера в 17:43
Астероид нарушает все законы: его кольца меняются так, как не должны

Телескоп "Джеймс Уэбб" зафиксировал неожиданные изменения в кольцах астероида Харикло. Учёные пока не понимают, почему внутренняя часть стала плотнее, а внешняя почти исчезла.

Читать полностью »
Pioneer Labs предложила технологию изменения атмосферы Марса до уровня, пригодного для жизни вчера в 17:26
Вторая Земля на пороге: учёные рассчитали, как сделать марсианскую атмосферу пригодной для жизни

Учёные предложили конкретную стратегию терраформирования Марса с созданием атмосферы, насыщенной кислородом на 99%. По их расчётам, в ней человек сможет дышать.

Читать полностью »