Лед – очень универсальный материал. В снежинках или кубиках льда атомы кислорода расположены гексагонально.
Эта ледяная форма называется ледяной (лед I). «Строго говоря, однако, на самом деле это не идеальные кристаллы, а неупорядоченные системы, в которых молекулы воды случайным образом ориентированы в разных пространственных направлениях», – объясняет Томас Лоэртинг из Института физической химии Университета Инсбрука, Австрия. В том числе лед I, до сих пор было известно 18 кристаллических форм льда, которые различаются расположением атомов. Различные типы льда, известные как полиморфы, образуются в зависимости от давления и температуры и имеют очень разные свойства. Например, их температуры плавления различаются на несколько сотен градусов по Цельсию. «Это сравнимо с алмазом и графитом, оба из которых сделаны из чистого углерода», – объясняет химик.
Ледяной сорт
Когда обычный лед I сильно охлаждается, атомы водорода могут периодически располагаться в дополнение к атомам кислорода, если эксперимент проводится правильно.
Ниже минус 200 градусов Цельсия это может привести к образованию так называемого льда XI, в котором все молекулы воды упорядочены по определенной схеме. Такие упорядоченные формы льда отличаются от неупорядоченных родительских форм, особенно по своим электрическим свойствам.
В текущей работе химики из Инсбрука имеют дело с родительской формой льда VI, которая образуется при высоком давлении, например, в мантии Земли. Подобно гексагональному льду, эта форма льда под высоким давлением не является полностью упорядоченным кристаллом. Более 10 лет назад исследователи из Университета Инсбрука создали вариант этого льда, упорядоченный по водороду, который вошел в учебники как лед XV.
Изменив производственный процесс, три года назад команде Томаса Лоэртинга впервые удалось создать вторую форму заказа для льда VI. Для этого ученые значительно замедлили процесс охлаждения и увеличили давление примерно до 20 кбар.
Это позволило им вторым образом расположить атомы водорода в решетке кислорода и произвести лед XIX. «В то время мы нашли четкие доказательства того, что это новый упорядоченный вариант, но мы не смогли выяснить кристаллическую структуру."Теперь его команде удалось сделать это, используя золотой стандарт определения структуры – нейтронную дифракцию.
Кристаллическая структура решена
Чтобы прояснить кристаллическую структуру, необходимо было преодолеть существенное техническое препятствие. При исследовании с использованием дифракции нейтронов необходимо заменить легкий водород в воде дейтерием («тяжелым водородом»). «К сожалению, это также меняет временные рамки для заказа в процессе производства льда», – говорит Лортинг. "Но Ph.D.
Студенту Тобиасу Гассеру пришла в голову решающая идея добавить несколько процентов обычной воды к тяжелой воде, что, как оказалось, значительно ускорило процесс заказа.«Получив лед таким образом, ученые из Инсбрука наконец смогли измерить нейтронные данные на приборе высокого разрешения HRPD в лаборатории Резерфорда Эпплтона в Англии и кропотливо определить кристаллическую структуру льда XIX. Для этого потребовалось найти лучшую кристаллическую структуру из нескольких тысяч кандидатов по измеренным данным – это очень похоже на поиск иголки в стоге сена. Японская исследовательская группа подтвердила результат Инсбрука в другом эксперименте при других условиях давления.
Обе статьи опубликованы совместно в Nature Communications.
В Инсбруке обнаружены шесть ледяных форм
Хотя на Земле много обычного льда и снега, никаких других форм на поверхности нашей планеты не обнаружено, за исключением исследовательских лабораторий. Однако формы льда VI и льда VII под высоким давлением обнаруживаются в виде включений в алмазах и поэтому были добавлены в список минералов Международной минералогической ассоциацией (IMA).
Многие разновидности водяного льда образуются на просторах космоса при особых условиях давления и температуры. Они встречаются, например, на небесных телах, таких как спутник Юпитера Ганимед, который покрыт слоями различных разновидностей льда.
Лед XV и лед XIX представляют собой первую родственную пару в физике льда, в которой решетка кислорода одинакова, но порядок расположения атомов водорода отличается. «Это также означает, что впервые теперь можно будет реализовать переход между двумя упорядоченными формами льда в экспериментах», – с удовольствием сообщает Томас Лоэртинг. С 1980-х годов исследователи из Университета Инсбрука, Австрия, теперь ответственны за открытие четырех кристаллических, а также двух аморфных форм льда.
Текущая исследовательская работа проводилась в рамках Исследовательской платформы материаловедения и нанонауки в Университете Инсбрука при финансовой поддержке Австрийского научного фонда FWF.