Учени откриха лед XXI – непозната досега кристална форма на водния лед

Учени от Корейския научноизследователски институт за стандарти и наука (KRISS) откриха 21-ата фаза на кристалния лед, наречена Ice XXI, която възниква при налягане над 2 GPa и стайна температура. Откритието дава възможност за по-задълбочено разбиране на процесите на кристализация, като проправя пътя за създаване на материали, невиждани досега на Земята и ни позволява да разберем процесите във вътрешността на ледените планети, като например спътниците на Сатурн и Юпитер.

Откритието стана възможно благодарение на наблюдението на процесите на многократно замразяване и топене на вода в микросекунден мащаб, което разкрива неизвестни досега пътища на кристализация.

Досега беше известно, че 20 фази на кристалния лед и две от аморфните му фази зависят от температурата и налягането. Най-трудната за изучаване зона на фазови преходи се намира между 0 и 2 GPa, където повече от десет различни фази плътно следват една след друга. Изследователи от Южна Корея успяха ясно да открият нова кристална фаза на водния лед в горната граница на този диапазон – при стайна температура и налягане от 2 GPa (20 000 атмосфери).

За целите на експеримента екипът на KRISS разработи и използва динамична диамантена наковалня (dDAC), която позволява пробите да бъдат компресирани равномерно в целия обем със сравнително висока скорост – в рамките на милисекунди. Конвенционалните диамантени наковални развиват натиск в рамките на секунди и го правят неравномерно в пробите, като често предизвикват джобове на преждевременна кристализация (градиент на приложеното налягане).

„Динамичната“ наковалня на KRISS се определя от инсталирането на пиезоелектрически сензори върху наковалнята. Те позволяват да се следи приложеното налягане и поведението на пробата в реално време. Пробата е обикновена вода.

В лабораторни условия при стайна температура и налягане от 2 GPa учените успяха да създадат кристален лед във фаза VI. След това беше пуснат в действие Европейският рентгенов лазер на свободни електрони (European XFEL). С негова помощ изследователите във времеви мащаб от порядъка на микросекунди успяха да наблюдават нови начини на кристализация на леда, включително непознатата досега форма на лед XXI. Обърнете внимание, че формално един от водещите акционери на Европейския XFEL остава Русия, която плати за проекта 27% от стойността му. От 2022 година обаче за учените от Руската федерация работата по европейските проекти XFEL е преустановена.

Лед XXI има уникална структура с голяма и сложна единична кристална клетка във формата на плоска равностранна кутия, което го прави най-невероятната кристална форма на лед, откривана досега, а също така е и нова дума в планетологията и материалознанието, която тепърва ще се реализира.