>>>Работа! Продавайте контент на сайте Vinegret! Узнай как!<<< ||| >>>Хочешь иметь свою мобильную версию сайта в Play Market? Узнай как!<<<
Ученые создали странный новый тип льда, который почти такой же плотный, как вода.

Ученые создали странный новый тип льда, который почти такой же плотный, как вода.

2 мин


Используя сверхнизкие температуры и несколько стальных шарикоподшипников, учёные создали совершенно новую причудливую форму льда, которая имеет ту же плотность, что и жидкая вода.

Лёд, известный как аморфный лёд средней плотности, вписывается в брешь в анналах замёрзшей воды, которую учёные не были уверены, что когда-либо удастся заполнить. В отличие от кристаллического льда, который естественным образом образуется на Земле, недавно созданный лёд не имеет организованной молекулярной структуры. Вместо этого его молекулы находятся в хаотичном несоответствии, больше похожем на стекло — состояние, известное как аморфное. Другие типы аморфного льда были созданы и раньше, но они были либо гораздо менее плотными, либо намного плотнее жидкой воды. Эта новая версия аморфного льда «Goldilocks» («Златовласка») находится прямо посередине, почти точно соответствуя плотности жидкой воды, объяснили учёные в новом исследовании, опубликованном 2 февраля 2023 года в журнале Science.

Ученые создали странный новый тип льда, который почти такой же плотный, как вода.
Часть экспериментальной установки для изготовления аморфного льда средней плотности. Изображение: Alexander Rosu-Finsen, Christoph Salzmann

«Это что-то совершенно новое», — сказал старший автор исследования Кристоф Зальцманн (Christoph Salzmann), профессор физической химии и химии материалов в Университетском колледже Лондона.

Измельчение льда

Когда лёд обычно замерзает на Земле, его молекулы складываются в организованную кристаллическую структуру. Этот кристаллический лёд — одна из странных особенностей H2O, потому что в твёрдом состоянии он плавает в жидкой воде, а не тонет. Это связано с относительно большими зазорами в кристаллической структуре водяного льда по сравнению с другими материалами, которые при кристаллизации образуют более плотные структуры.

Однако при правильном обращении жидкая вода также может замёрзнуть в неорганизованном, аморфном состоянии. Первое из этих состояний, аморфный лёд низкой плотности, было открыто в 1930-х годах. Его получают путём осаждения водяного пара на очень холодные поверхности. Этот процесс происходит естественным образом в космосе, сказал Зальцманн, именно поэтому аморфный лёд низкой плотности может быть самой распространённой формой льда во Вселенной.

В 1980-х исследователи обнаружили, что они также могут создавать аморфный лёд высокой плотности, сжимая обычный лёд при очень низких температурах. Но никто никогда не производил аморфный лёд средней плотности, пока эта идея не пришла в голову Зальцманну и его коллегам: они решили попробовать измельчить лёд с помощью шаровой мельницы.

Шаровая мельница — это устройство, похожее на очень продвинутый шейкер для коктейлей. Материал помещается в камеру с шариками из нержавеющей стали и встряхивается или переворачивается до тех пор, пока материал не измельчится. По словам Зальцманна, шаровая мельница используется во многих отраслях, но особенно хорошо она подходит для создания аморфных материалов и измельчения мягких замороженных материалов в порошки.

«Мы подумали: «Почему бы нам не измельчить лёд в шаровой мельнице и посмотреть, что получится?»» — сказал Зальцманн.

Странные свойства

Исследователи ожидали, что шаровая мельница просто разобьёт кристаллы льда на более мелкие кристаллы. Но случилось далеко не так, как предполагали специалисты. Вместо этого кувыркающиеся стальные шары разламывали и давили кристаллы льда, переводя их в новое состояние дезорганизации. Каков итоговый результат? Был получен аморфный лёд средней плотности.

Компьютерное моделирование показало, что лёд изначально находится в хорошем кристаллическом состоянии, а его водородные связи образуют гексагональную решётку. Случайный сдвиг от шаровой мельницы толкает эти водородные связи то туда, то сюда, оставляя их направленными вверх и вниз хаотичным зигзагом.

Новая форма льда образуется при температуре 77 кельвинов, или минус 321 градус по Фаренгейту (минус 196 градусов по Цельсию). Помимо плотности 1,06 грамма на кубический сантиметр (0,037 унции на 0,06 кубического дюйма), он обладает некоторыми странными свойствами. (Плотность воды составляет 1 грамм на кубический сантиметр, или 0,035 удара на 0,06 кубических дюйма). Среди них, по словам Зальцманна, то, что когда исследователи сжали лёд средней плотности и нагрели его до минус 185 °F (минус 120 °C), лёд перекристаллизовался, выделив большое количество тепла.

«С другими формами [аморфного] льда, если вы сожмёте их и ослабите давление, ничего не произойдёт, — сказал Зальцманн. — Но MDA (аморфный лед средней плотности) каким-то образом обладает способностью накапливать механическую энергию и высвобождать её при нагревании.»

По словам Зальцманна, аморфный лёд средней плотности может естественным образом образовываться на ледяных спутниках газовых гигантов, где гравитационные силы огромных миров сжимают и сдвигают лёд спутников. Если это так, то механическая энергия, запасённая в этой форме льда, может влиять на тектонику этих спутников (лун), подобных планете Хот из Star Wars.

По словам Зальцманна, понимание аморфного льда средней плотности также может помочь исследователям лучше понять жидкую воду в целом. Вода необычна не только потому, что её кристаллическая форма плавает, но и потому, что она обладает другими уникальными свойствами, такими как высокое поверхностное натяжение и высокие температуры плавления и кипения. Учёные до сих пор спорят о природе воды при экстремально низких температурах. Любые дискуссии теперь также должны учитывать аморфный лёд средней плотности, отметил Зальцманн.

«Большая часть нашего понимания жидкой воды была основана на том, что существует аморфный лёд низкой и высокой плотности, — сказал он. — Как же в эту картину вписывается аморфный лёд средней плотности?»

Правописание уведомления вебмастера


Понравилось? Поделитесь с друзьями!

Включить уведомления Да Спасибо, не надо