Ученые Открыли Новый Тип Льда Это Может Помочь Понять Некоторые Странности Воды

Кубики льда плавают в воде, потому что они менее плотные, чем жидкость. Но новый тип льда имеет плотность, почти равную плотности вашего стакана с водой, сообщают ученые в журнале Science от 3 февраля. Если бы вы могли положить этот лед в свою чашку так, чтобы он сразу не растаял, он бы болтался, не всплывая и не тонув.

Новый лед – это особый тип, называемый аморфным льдом. Это означает, что молекулы воды внутри него не расположены в аккуратном порядке, как в обычном кристаллическом льду. Другие типы аморфного льда уже известны, но их плотность либо ниже, либо выше плотности воды в стандартных условиях.

Некоторые ученые надеются, что этот недавно созданный аморфный лед может помочь разгадать научные тайны, которые вращаются вокруг воды.

Чтобы создать новый лед, ученые использовали удивительно простую технику. Процесс, называемый шаровым измельчением, включает встряхивание контейнера со льдом и шариками из нержавеющей стали, охлажденных до почти -200 ° по Цельсию.

Учеными двигало любопытство; они не ожидали, что эта технология позволит получить новый аморфный лед.

«У нас была своего рода идея в пятницу днем – просто попробовать и посмотреть, что получится», – говорит физико-химик Кристоф Зальцманн из Университетского колледжа Лондона.

Анализ того, как рентгеновские лучи рассеивались от морозного вещества, показал, что они создали аморфный лед. А компьютерное моделирование, имитирующее эффекты измельчения шариков, показало, что неупорядоченная структура может быть создана слоями льда, скользящими друг по другу в случайных направлениях в ответ на силы, прилагаемые шариками.

«Как ученый, вы должны быть открыты для неожиданностей», – говорит физик-химик Андерс Нильссон из Стокгольмского университета, который не принимал участия в исследовании.

«Технология шарового фрезерования», по его словам, «была довольно инновационной в исполнении».

Компьютерное моделирование показало, как структура обычного кристаллического льда (слева) может измениться в беспорядочное твердое вещество, когда лед встряхивают вместе с шариками из нержавеющей стали при низкой температуре. Поскольку слои льда при моделировании смещались случайным образом, молекулы воды (красные и серые) перестраивались в беспорядочную массу, называемую аморфным льдом (справа).

Поскольку материал был получен путем измельчения обычного льда, его связь с жидкой водой неизвестна. Неясно, можно ли его получить непосредственно, охлаждая жидкую воду. Не все аморфные льды разделяют эту связь с их жидким состоянием.

Если новый лед действительно имеет такую связь с жидкостью, лед может помочь ученым лучше понять причуды воды. Вода вызывает недоумение, потому что она нарушает нормы для жидкостей. Например, в то время как большинство жидкостей становятся плотнее при охлаждении, вода становится плотнее по мере приближения к 4 ° C, но становится менее плотной по мере дальнейшего охлаждения.

Многие ученые подозревают, что странности воды связаны с ее поведением как переохлажденной жидкости. Чистая вода может оставаться жидкостью при температурах значительно ниже нуля. Считается, что в таких условиях жидкая вода существует в двух разных фазах, жидкости с высокой плотностью и жидкости с низкой плотностью, и эта двойная природа может объяснить поведение воды в более типичных условиях. Но многое остается неопределенным в отношении этой идеи.

Зальцманн и его коллеги предполагают, что новый лед может представлять собой особую форму воды, называемую стеклом. Стекла могут быть изготовлены путем охлаждения жидкости достаточно быстро, чтобы молекулы не могли перестроиться в кристаллическую структуру. Стекло в оконном стекле является примером такого материала, получаемого путем охлаждения расплавленного кварцевого песка, но другие вещества также могут образовывать стекла.

Если новый лед представляет собой стеклянное состояние воды, ученым нужно будет выяснить, как он вписывается в эту картину двойной жидкости. И это могло бы помочь ученым выяснить, что на самом деле происходит в трудных для изучения условиях переохлаждения.

Но некоторые исследователи скептически относятся к тому, что новый материал имеет какое-либо отношение к странной физике жидкой воды. Физико-химик Томас Лертинг из Университета Инсбрука в Австрии считает, что лед “тесно связан с очень крошечными, искаженными кристаллами льда”, а не с жидкой формой воды.

«Тем не менее, более раннее компьютерное моделирование показало, что вода может образовывать стекла с плотностью, близкой к плотности жидкой воды», – говорит физик-компьютерщик Николас Джовамбаттиста из Бруклинского колледжа Городского университета Нью-Йорка.

По словам Джовамбаттисты, который не участвовал в новом исследовании, в результате этого моделирования были получены структуры, подобные тем, которые наблюдались при компьютерном моделировании измельчения льда шариками.

«Это открывает двери для новых вопросов. Это что-то новенькое, так что же это такое?»

Источник новости Science