- 26,419
- 46
- 8 Ноя 2022
Случайность в корейской лаборатории обернулась открытием нового состояния воды.
У воды есть десятки твёрдых форм, и привычный лёд из морозилки — только самая знакомая. При другом давлении и температуре молекулы H₂O собираются в структуры, которые могут быть горячими, электропроводящими или настолько сложными, что компьютерные модели не всегда успевают их предсказать. За последний год физики описали три новые фазы льда, включая две из самых сложных структур, которые когда-либо наблюдали в экспериментах.
Льдом называют не любую холодную воду, а твёрдую кристаллическую фазу воды. Кристаллическая означает, что молекулы выстроены в повторяющийся узор. С 1900 года учёные обнаружили больше 20 таких фаз. Некоторые появляются только при экстремальном давлении, другие требуют высокой температуры, а часть может существовать не на Земле, а в хвостах комет, недрах ледяных спутников и глубинах планет, где вода испытывает сильное сжатие.
Причина такого разнообразия кроется в форме молекулы воды. В центре находится атом кислорода, к нему присоединены два атома водорода, а ещё две пары свободных электронов создают дополнительные направления для взаимодействия. Если представить молекулу очень грубо, она похожа на небольшой узел с четырьмя выступами. Из этих «деталей» можно собрать много разных решёток.
В обычном льде молекулы образуют рыхлую шестиугольную структуру, похожую на клетку. Такая решётка занимает больше места, чем жидкая вода, поэтому лёд получается менее плотным и плавает. Благодаря этому озёра и реки замерзают сверху вниз, а не превращаются в сплошной блок до дна. Под давлением свободное пространство в решётке сжимается, молекулы сближаются, а вода может переходить в совсем другие формы.
Компьютерные модели уже давно подсказывают, насколько большим может быть это разнообразие. В 2018 году международная группа из Европы и Японии смоделировала движение молекул воды и получила каталог из более чем 75 000 возможных фаз льда. Каждая фаза отличалась способом укладки молекул при определённом сочетании температуры и давления.
Учёные не считают, что все 75 000 вариантов реально существуют. Математически возможная структура не обязана возникнуть в природе или в лаборатории. Одним фазам нужна слишком большая энергия, другие разрушились бы почти сразу после появления. Поэтому физики пытаются отделить жизнеспособные варианты от красивых, но недостижимых расчётов. Проблема в том, что надёжного фильтра пока нет: эксперимент иногда находит именно то, что крупные модели пропустили.
Так произошло с новой фазой, которую назвали лёд XXI. История началась в 2018 году в Корейском институте стандартов и науки. Исследователь Ён-Джэ Ким изучал, как вода комнатной температуры превращается в лёд под экстремальным давлением. Каплю воды зажимали между двумя алмазами, а затем следили за изменением структуры с помощью высокоскоростной съёмки и других методов анализа.
В данных появился странный эпизод. На несколько десятков миллисекунд лёд будто терял порядок: кристаллическая структура распадалась на беспорядочную массу молекул, а затем переходила в следующую фазу. Сначала Ким решил, что образец испортили пот, грязь или другое загрязнение. Наблюдение показалось ошибкой, а времени на отдельную проверку тогда не осталось.
В 2025 году исследователи KRISS повторили эксперимент с улучшенной версией алмазной установки и снова получили ту же странную структуру. На малом масштабе фаза выглядела почти случайной, но при более широком анализе проявился порядок. У структуры была периодичность, то есть молекулы всё же повторяли узор.
Чтобы рассмотреть узор точнее, установку перевезли в European XFEL в Германии. Этот центр использует рентгеновский лазер на свободных электронах: электроны разгоняются в туннеле длиной 3,4 километра, проходят через специальные магниты и создают мощные короткие вспышки рентгеновского излучения. Такие лучи помогают рассмотреть кристаллические структуры, потому что по картине рассеяния можно восстановить расположение молекул.
Обычно фазы льда рассеивают рентгеновские лучи по нескольким направлениям, потому что их кристаллический узор повторяется через небольшое число молекул. Новый образец отправил свет примерно по 15 направлениям. Расчёты показали, что повторяющаяся ячейка включает 152 молекулы воды. После этого фаза получила официальное название лёд XXI.
Открытие оказалось особенно неожиданным из-за компьютерных прогнозов. Исследователи проверили огромный каталог из десятков тысяч рассчитанных фаз, но не нашли совпадения. Лёд XXI оказался сложнее структур, которые крупная модель включала в поиск. Позже выяснилось, что другая, более узкая симуляция из 2018 года всё же предсказала похожую структуру и ещё две фазы, которые пока не обнаружили.
Команда Кима изначально искала не новый лёд, а хотела разобраться с тем, как вода переходит из одной фазы в другую. Классическая теория фазовых переходов предполагает, что система стремится к состоянию с минимальной энергией. Вода снова нарушила простую схему. Под давлением она не перескочила сразу в наиболее стабильную при этих условиях фазу, известную как лёд VI. Сначала вода прошла через лёд XXI, а затем через лёд VII.
Такие промежуточные состояния называют метастабильными. Они не самые устойчивые, но достаточно живучие, чтобы задержаться на пути к другой фазе. Этот порядок хорошо описывает правило Оствальда, названное в честь немецкого физикохимика Вильгельма Оствальда. Согласно правилу, система часто переходит не в самый стабильный вариант, а в ближайшее и самое простое для образования состояние. Иногда вещество застревает именно в такой промежуточной форме.
Для льда это важно не только как красивый физический эффект. Метастабильные состояния помогают понять фазовые переходы в других кристаллах, включая вещества, которые используют в фармацевтике. У лекарства может быть несколько кристаллических форм, и переход из одной формы в другую способен изменить эффективность препарата или испортить партию на производстве. Правило Оствальда помогает заранее оценивать такие риски.
После открытия льда XXI другая группа под руководством Хироки Кобаяси из Токийского университета воспроизвела эту фазу другими методами. Во время работы исследователи нашли соседнюю фазу, получившую название лёд XXII. Новая структура оказалась ещё сложнее: её узор повторяется только через 304 молекулы. При более низких температурах та же группа смогла надёжно получать лёд IV, метастабильную фазу, которую долго считали почти неуловимой. За редкость и капризность её сравнивали с болотным огоньком из фольклора.
Ещё один необычный результат в 2025 году получила группа Ливии Бове в Лозанне. Исследователи впервые наблюдали пластический лёд VII — разновидность высоконапорного льда VII, которая появляется при нагреве примерно до 500 градусов Цельсия. Название не означает, что лёд состоит из пластика. В физике пластическим называют состояние, где молекулы сохраняют кристаллическую решётку, но быстро вращаются на месте.
Увидеть такое вращение сложно. Рентгеновские лучи хорошо показывают кислород, но почти не видят водород. В молекуле воды именно положение водородов помогает понять, вращается молекула или нет. Поэтому команда Бове дополнила рентгеновские измерения нейтронными методами. Нейтроны позволяют отслеживать движения молекул: вибрацию, вращение или сочетание обоих процессов.
Пластический лёд VII сохраняет твёрдую структуру, но ведёт себя более упруго, почти как мягкая пружинящая решётка. Учёные считают, что такая фаза может существовать в ядрах ледяных спутников. Её также рассматривают как промежуточное состояние на пути к сверхионному льду, или льду XVIII. В сверхионной фазе атомы водорода фактически освобождаются от связи с кислородом и начинают двигаться через кислородную решётку, поэтому лёд проводит электричество.
Исследования новых фаз требуют всё более мощных и точных методов. Одни эксперименты используют алмазные наковальни, другие подключают рентгеновские лазеры, нейтронные пучки и быстрые методы съёмки. Учёные также пытаются повысить давление, которое можно приложить к воде в лаборатории. Цель находится далеко за земными условиями: речь о давлениях более чем в два раза выше, чем в центре Земли.
Вода остаётся одним из самых привычных веществ на планете, но эксперименты показывают, что привычность обманчива. При другом давлении, температуре и скорости сжатия молекулы H₂O собираются в структуры, которых нет в школьных схемах: с ячейками на 152 и 304 молекулы, вращением внутри твёрдой решётки и переходом к электропроводящему льду.
У воды есть десятки твёрдых форм, и привычный лёд из морозилки — только самая знакомая. При другом давлении и температуре молекулы H₂O собираются в структуры, которые могут быть горячими, электропроводящими или настолько сложными, что компьютерные модели не всегда успевают их предсказать. За последний год физики описали три новые фазы льда, включая две из самых сложных структур, которые когда-либо наблюдали в экспериментах.
Льдом называют не любую холодную воду, а твёрдую кристаллическую фазу воды. Кристаллическая означает, что молекулы выстроены в повторяющийся узор. С 1900 года учёные обнаружили больше 20 таких фаз. Некоторые появляются только при экстремальном давлении, другие требуют высокой температуры, а часть может существовать не на Земле, а в хвостах комет, недрах ледяных спутников и глубинах планет, где вода испытывает сильное сжатие.
Причина такого разнообразия кроется в форме молекулы воды. В центре находится атом кислорода, к нему присоединены два атома водорода, а ещё две пары свободных электронов создают дополнительные направления для взаимодействия. Если представить молекулу очень грубо, она похожа на небольшой узел с четырьмя выступами. Из этих «деталей» можно собрать много разных решёток.
В обычном льде молекулы образуют рыхлую шестиугольную структуру, похожую на клетку. Такая решётка занимает больше места, чем жидкая вода, поэтому лёд получается менее плотным и плавает. Благодаря этому озёра и реки замерзают сверху вниз, а не превращаются в сплошной блок до дна. Под давлением свободное пространство в решётке сжимается, молекулы сближаются, а вода может переходить в совсем другие формы.
Компьютерные модели уже давно подсказывают, насколько большим может быть это разнообразие. В 2018 году международная группа из Европы и Японии смоделировала движение молекул воды и получила каталог из более чем 75 000 возможных фаз льда. Каждая фаза отличалась способом укладки молекул при определённом сочетании температуры и давления.
Учёные не считают, что все 75 000 вариантов реально существуют. Математически возможная структура не обязана возникнуть в природе или в лаборатории. Одним фазам нужна слишком большая энергия, другие разрушились бы почти сразу после появления. Поэтому физики пытаются отделить жизнеспособные варианты от красивых, но недостижимых расчётов. Проблема в том, что надёжного фильтра пока нет: эксперимент иногда находит именно то, что крупные модели пропустили.
Так произошло с новой фазой, которую назвали лёд XXI. История началась в 2018 году в Корейском институте стандартов и науки. Исследователь Ён-Джэ Ким изучал, как вода комнатной температуры превращается в лёд под экстремальным давлением. Каплю воды зажимали между двумя алмазами, а затем следили за изменением структуры с помощью высокоскоростной съёмки и других методов анализа.
В данных появился странный эпизод. На несколько десятков миллисекунд лёд будто терял порядок: кристаллическая структура распадалась на беспорядочную массу молекул, а затем переходила в следующую фазу. Сначала Ким решил, что образец испортили пот, грязь или другое загрязнение. Наблюдение показалось ошибкой, а времени на отдельную проверку тогда не осталось.
В 2025 году исследователи KRISS повторили эксперимент с улучшенной версией алмазной установки и снова получили ту же странную структуру. На малом масштабе фаза выглядела почти случайной, но при более широком анализе проявился порядок. У структуры была периодичность, то есть молекулы всё же повторяли узор.
Чтобы рассмотреть узор точнее, установку перевезли в European XFEL в Германии. Этот центр использует рентгеновский лазер на свободных электронах: электроны разгоняются в туннеле длиной 3,4 километра, проходят через специальные магниты и создают мощные короткие вспышки рентгеновского излучения. Такие лучи помогают рассмотреть кристаллические структуры, потому что по картине рассеяния можно восстановить расположение молекул.
Обычно фазы льда рассеивают рентгеновские лучи по нескольким направлениям, потому что их кристаллический узор повторяется через небольшое число молекул. Новый образец отправил свет примерно по 15 направлениям. Расчёты показали, что повторяющаяся ячейка включает 152 молекулы воды. После этого фаза получила официальное название лёд XXI.
Открытие оказалось особенно неожиданным из-за компьютерных прогнозов. Исследователи проверили огромный каталог из десятков тысяч рассчитанных фаз, но не нашли совпадения. Лёд XXI оказался сложнее структур, которые крупная модель включала в поиск. Позже выяснилось, что другая, более узкая симуляция из 2018 года всё же предсказала похожую структуру и ещё две фазы, которые пока не обнаружили.
Команда Кима изначально искала не новый лёд, а хотела разобраться с тем, как вода переходит из одной фазы в другую. Классическая теория фазовых переходов предполагает, что система стремится к состоянию с минимальной энергией. Вода снова нарушила простую схему. Под давлением она не перескочила сразу в наиболее стабильную при этих условиях фазу, известную как лёд VI. Сначала вода прошла через лёд XXI, а затем через лёд VII.
Такие промежуточные состояния называют метастабильными. Они не самые устойчивые, но достаточно живучие, чтобы задержаться на пути к другой фазе. Этот порядок хорошо описывает правило Оствальда, названное в честь немецкого физикохимика Вильгельма Оствальда. Согласно правилу, система часто переходит не в самый стабильный вариант, а в ближайшее и самое простое для образования состояние. Иногда вещество застревает именно в такой промежуточной форме.
Для льда это важно не только как красивый физический эффект. Метастабильные состояния помогают понять фазовые переходы в других кристаллах, включая вещества, которые используют в фармацевтике. У лекарства может быть несколько кристаллических форм, и переход из одной формы в другую способен изменить эффективность препарата или испортить партию на производстве. Правило Оствальда помогает заранее оценивать такие риски.
После открытия льда XXI другая группа под руководством Хироки Кобаяси из Токийского университета воспроизвела эту фазу другими методами. Во время работы исследователи нашли соседнюю фазу, получившую название лёд XXII. Новая структура оказалась ещё сложнее: её узор повторяется только через 304 молекулы. При более низких температурах та же группа смогла надёжно получать лёд IV, метастабильную фазу, которую долго считали почти неуловимой. За редкость и капризность её сравнивали с болотным огоньком из фольклора.
Ещё один необычный результат в 2025 году получила группа Ливии Бове в Лозанне. Исследователи впервые наблюдали пластический лёд VII — разновидность высоконапорного льда VII, которая появляется при нагреве примерно до 500 градусов Цельсия. Название не означает, что лёд состоит из пластика. В физике пластическим называют состояние, где молекулы сохраняют кристаллическую решётку, но быстро вращаются на месте.
Увидеть такое вращение сложно. Рентгеновские лучи хорошо показывают кислород, но почти не видят водород. В молекуле воды именно положение водородов помогает понять, вращается молекула или нет. Поэтому команда Бове дополнила рентгеновские измерения нейтронными методами. Нейтроны позволяют отслеживать движения молекул: вибрацию, вращение или сочетание обоих процессов.
Пластический лёд VII сохраняет твёрдую структуру, но ведёт себя более упруго, почти как мягкая пружинящая решётка. Учёные считают, что такая фаза может существовать в ядрах ледяных спутников. Её также рассматривают как промежуточное состояние на пути к сверхионному льду, или льду XVIII. В сверхионной фазе атомы водорода фактически освобождаются от связи с кислородом и начинают двигаться через кислородную решётку, поэтому лёд проводит электричество.
Исследования новых фаз требуют всё более мощных и точных методов. Одни эксперименты используют алмазные наковальни, другие подключают рентгеновские лазеры, нейтронные пучки и быстрые методы съёмки. Учёные также пытаются повысить давление, которое можно приложить к воде в лаборатории. Цель находится далеко за земными условиями: речь о давлениях более чем в два раза выше, чем в центре Земли.
Вода остаётся одним из самых привычных веществ на планете, но эксперименты показывают, что привычность обманчива. При другом давлении, температуре и скорости сжатия молекулы H₂O собираются в структуры, которых нет в школьных схемах: с ячейками на 152 и 304 молекулы, вращением внутри твёрдой решётки и переходом к электропроводящему льду.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
