Водата, замръзнала в тъмнината на космоса, изглежда не се държи така, както си мислехме. Нови изследвания, използващи компютърни симулации и експерименти за изследване на най-често срещаната форма на водата във Вселената, установиха, че тя не е толкова безструктурна, колкото учените са смятали. В иначе замръзналата смесица от молекули вероятно са вградени повтарящи се модели - известни още като кристали - с диаметър само няколко нанометра. Тъй като учените са смятали, че космосът е твърде студен, за да могат ледените кристали да имат енергия да се образуват, това откритие е голяма изненада.
Новото откритие
„Сега имаме добра представа как изглежда най-разпространената форма на лед във Вселената на атомно ниво“, казва физикът Майкъл Бенедикт Дейвис от Университетския колеж в Лондон и Университета в Кеймбридж в Обединеното кралство.
Още: Най-накрая е наблюдаван странен лед, който може да се образува на чужди планети
„Това е важно, тъй като ледът участва в много космологични процеси, например в това как се образуват планетите, как еволюират галактиките и как материята се движи във Вселената.
Няма как да не отбележим, че водата е доста странна материя, въпреки че е необходима за живота на Земята. Тя не се държи като другите течности и учените са идентифицирали поне около 20 различни фази, които тя приема при различни условия на замръзване.
В общи линии водният лед се разделя на две различни категории. Кристалният лед е този, който имаме тук, на Земята, където атомите са подредени в чиста кристална решетка. В Космоса, смятат учените, ледът би трябвало да е аморфен: замръзнала агломерация от атоми, които са подредени в групички и в различни посоки.
Симулациите включват замразяване на виртуални контейнери с водни молекули до температури около -120 градуса по Целзий с различна скорост. Различните скорости на замразяване водят до образуване на твърди тела с различно съотношение между аморфен и кристален лед, като част от леда е подредена в чисти решетки, а друга - не.
Space frostwork on @Space_Station window#ISS pic.twitter.com/dOXimzkOmn
— Serg.Korsakov (@SergKorsakov) May 23, 2022
При предишни изследвания рентгенови лъчи са хвърляни върху аморфен лед, за да се разпознае неговата структура по начина, по който лъчите се отразяват от вътрешността на материала. Резултатите на екипа показват, че пропорцията, която най-добре съответства на тези експерименти, е около 20 % кристален и 80 % аморфен лед.
В своите експерименти изследователите след това създават аморфен лед по различни начини. В Космоса водата няма течна форма, а вместо това замръзва директно от парите върху повърхности, като например скали. За да имитират този процес, изследователите поставят водни пари върху студена повърхност, за да замръзнат.
Те също така раздробяват лед при изключително ниски температури, за да създадат аморфен лед с по-висока плътност. След това изследователите затоплят всеки лед до точката, в която той има достатъчно енергия, за да образува кристали.
Известно е, че ледът може да „помни“ предишната си структура, а именно реда, в който са били подредени водородните му атоми, докато е бил в кристално състояние. Този ред може да се запази дори при промяна на условията.
Когато изследователите загрели и двата леда, те открили разлики в структурата, които показват, че аморфният лед съдържа кристали: ако не съдържаше такива, той би останал напълно аморфен.
Още: Защо 0 градуса не е температурата на замръзване на водата?
Въпреки че тези експерименти са проведени тук, на Земята, резултатите представляват доказателство, че ледът в космоса наистина може да съдържа малки области на кристализация, казват изследователите. Това има значение за разбирането не само на водата в космоса, но и на аморфните материали като цяло.
"Ледът на Земята е космологичен куриоз поради нашите топли температури. Можете да видите неговата подредена природа в симетрията на снежинката. Ледът в останалата част на Вселената дълго време се смяташе за моментна снимка на течна вода - т.е. за неподредена подредба, фиксирана на място. Нашите открития показват, че това не е напълно вярно", казва физикохимикът Кристоф Залцман от Университетския колеж в Лондон.
"Резултатите ни повдигат и въпроси за аморфните материали като цяло. Тези материали имат важни приложения в много напреднали технологии. Например стъклените влакна, които пренасят данни на дълги разстояния, трябва да бъдат аморфни или безпорядъчни, за да изпълняват функциите си. Ако те наистина съдържат малки кристали и ние можем да ги отстраним, това ще подобри тяхната ефективност."
Изследването е публикувано във Physical Review B.
