Výskumníci z organizácií European XFEL a DESY skúmajú nezvyčajné formy ľadu. Ak je voda vystavená extrémnemu tlaku, môže sa vytvoriť ľad aj pri izbovej teplote.
Vedci doteraz identifikovali viac ako dvadsať jedinečných pevných štruktúr alebo fáz ľadu, z ktorých každá má svoje vlastné molekulárne usporiadanie. Zdroj: iStock/fuku
Ľad má mnoho foriem, aj keď je zložený iba z molekúl vody. Vedci doteraz identifikovali viac ako dvadsať jedinečných pevných štruktúr alebo fáz ľadu, z ktorých každá má svoje vlastné molekulárne usporiadanie. Tieto variácie sú označené rímskymi číslicami, napríklad ľad I, ľad II a ľad III.
Medzinárodný tím vedcov pod vedením odborníkov z Kórejskej výskumnej inštitúcie pre normy a vedu (KRISS) nedávno dosiahol prelomový objav, keď predstavil úplne novú fázu známu ako ľad XXI. Pomocou pokročilých röntgenových zariadení v Európskom XFEL a PETRA III tím zachytil a analyzoval túto doteraz neznámu štruktúru. Ich zistenia boli uverejnené v časopise Nature Materials.
Ľad XXI sa nelíši od žiadnej inej formy ľadu, ktorá bola doteraz pozorovaná. Vzniká, keď je voda v kvapalnom skupenstve vystavená rýchlej kompresii, čím vzniká to, čo vedci nazývajú „superkomprimovaná voda“ pri izbovej teplote. Táto fáza je metastabilná, čo znamená, že môže pretrvávať určitý čas, aj keď iný typ ľadu by za rovnakých podmienok bol za normálnych okolností stabilnejší. Tento objav poskytuje cenné nové poznatky o tom, ako sa ľad správa a mení pod extrémnym tlakom.
Zložitosť jednoduchých molekúl
Voda napriek tomu, že sa skladá len z dvoch prvkov, vykazuje v pevnom stave pozoruhodnú zložitosť. Väčšina fáz sa pozoruje pri vysokých tlakoch a nízkych teplotách. Tím sa dozvedel viac o tom, ako sa rôzne fázy ľadu formujú a menia s tlakom.
„Rýchle stlačenie vody jej umožňuje zostať v kvapalnom skupenstve až do vyšších tlakov, pri ktorých by sa už mala kryštalizovať na ľad VI,“ vysvetlil vedec Geun Woo Lee. Ľad VI je zvlášť zaujímavá fáza, o ktorej sa predpokladá, že sa vyskytuje vnútri ľadových mesiacov, ako sú Titan a Ganymedes. Jeho vysoko deformovaná štruktúra môže umožňovať komplexné prechodové cesty, ktoré vedú k metastabilným fázam ľadu.
Keďže väčšina variantov ľadu existuje len za extrémnych podmienok, vedci vytvorili vysokotlakové podmienky pomocou diamantových nákovkových buniek. Vzorka – v tomto prípade voda – sa umiestni medzi dva diamanty, ktoré vďaka tvrdosti môžu vytvoriť veľmi vysoký tlak. Voda sa skúmala pri tlaku až dva gigapascaly, čo je asi 20-tisíckrát viac ako normálny tlak vzduchu. To spôsobuje, že sa ľad tvorí aj pri izbovej teplote, ale molekuly sú oveľa tesnejšie usporiadané ako v normálnom ľade.
Aby vedci mohli pozorovať tvorbu ľadu za rôznych tlakových podmienok, vedci najskôr vytvorili vysoký tlak dva gigapascaly za 10 milisekúnd (milisekunda je tisícina sekundy). Potom uvoľnili nákovovú komoru v priebehu sekundy a celý proces zopakovali. Počas týchto cyklov tím použil röntgenové záblesky z Európskeho XFEL na zachytenie obrazov vzorky každú mikrosekundu – milióntinu sekundy. Vďaka extrémne vysokej frekvencii röntgenových impulzov, ktoré slúžia ako vysokorýchlostná kamera, mohli natočiť filmy o tom, ako sa formovala štruktúra ľadu.
Kryštalizácia objavu
Potom vďaka urýchľovaču častíc zistili, že ľad XXI má tetragonálnu kryštálovú štruktúru zloženú z prekvapujúco veľkých opakujúcich sa jednotiek, nazývaných jednotkové bunky.
„S pomocou jedinečných röntgenových impulzov z európskeho laserového zariadenia XFEL sme odhalili viacero spôsobov kryštalizácie vo vode, ktorá bola rýchlo stlačená a uvoľnená viac ako tisíckrát pomocou dynamickej diamantovej nákovy,“ vysvetlil Lee. „V tejto špeciálnej tlakovej komore sú vzorky stlačené medzi hrotmi dvoch protiľahlých diamantových nákov a môžu byť stlačené podľa vopred definovanej tlakovej dráhy,“ uvádza Cornelius Strohm z tímu DESY HIBEF, ktorý implementoval toto zariadenie do prístroja High Energy Density (HED) Európskeho XFEL.
Pozrite si
„Štruktúra, v ktorej sa kryštalizuje kvapalné skupenstvo vody, závisí od stupňa superkompresie kvapaliny,“ vysvetlil Lee. „Naše zistenia naznačujú, že môže existovať väčší počet metastabilných fáz ľadu pri vysokej teplote a s nimi súvisiacich prechodových ciest, čo môže potenciálne poskytnúť nové poznatky o zložení ľadových mesiacov,“ dodala Rachel Husbandová, výskumníčka v oblasti vysokotlakovej fyziky z tímu DESY HIBEF.
Zdroj: SciTech Daily
(RR)
