Исследователи из Корейского института стандартов и науки (KRISS) впервые зафиксировали многократное замерзание и плавление воды при сверхвысоком давлении, превышающем 2 гигапаскаля, сохраняя при этом комнатную температуру. Эти стремительные изменения фиксировались с микросекундной точностью (одна миллионная доля секунды).
Это достижение позволило установить совершенно новый механизм кристаллизации воды и обнаружить ранее неизвестную фазу льда. Новая структура получила название Лед XXI, став таким образом двадцать первой кристаллической формой льда.
Вода обычно превращается в лед при падении температуры ниже 0 °C, однако давление также может стимулировать кристаллизацию. При определенных условиях давления лед способен образовываться при комнатной температуре или даже при температурах выше обычной точки кипения. Например, вода, сжатая до более чем 0,96 ГПа при комнатной температуре, трансформируется в Лед VI.
В процессе замерзания водородные связи между молекулами воды искажаются и реорганизуются сложными способами. Эти изменения приводят к образованию широкого спектра ледяных структур, зависящих от окружающего давления и температуры. Более глубокое понимание механизмов этих молекулярных перестроек и способность управлять ими в экстремальных условиях могут открыть путь к созданию совершенно новых материалов, не существующих в природе на Земле.
За последние сто лет ученые идентифицировали двадцать различных кристаллических фаз льда, изменяя давление и температуру. Эти фазы наблюдаются в огромном диапазоне – более 2000 K по температуре и свыше 100 ГПа по давлению. Область между атмосферным давлением (0 ГПа) и 2 ГПа считается одной из самых сложных в фазовой диаграмме воды, где сосредоточено более десяти различных фаз льда.
Группа космической метрологии KRISS смогла создать сверхсжатое жидкое состояние, в котором вода оставалась жидкой при комнатной температуре, несмотря на давление более 2 ГПа – это вдвое превышает давление, обычно необходимое для кристаллизации. Это стало возможным благодаря динамической ячейке с алмазными наковальнями (dDAC), разработанной в KRISS. dDAC – это устройство высокого давления, использующее пару алмазов и пьезоэлектрические актуаторы для динамического контроля и наблюдения за изменениями давления в микроскопическом образце воды.
Обычные ячейки с алмазными наковальнями (ЦАН) увеличивают давление путем затягивания болтов, что часто приводит к градиентам давления и механическим возмущениям, вызывающим преждевременную нуклеацию. Разработанная в KRISS динамическая ячейка минимизирует эти проблемы, уменьшая механический удар и сокращая время сжатия с десятков секунд до всего 10 миллисекунд. Это позволило довести воду до диапазона давления, характерного для Льда VI, при этом сохраняя ее в жидком состоянии.
В сотрудничестве с международными партнерами ученые KRISS использовали dDAC вместе с Европейским рентгеновским лазером на свободных электронах (European XFEL) – крупнейшей в мире установкой такого типа – для мониторинга кристаллизации сверхсжатой воды с микросекундной точностью. Эти наблюдения выявили ранее невидимые сложные пути кристаллизации при комнатной температуре. Переходы происходили через новую фазу льда – Лед XXI, что ознаменовало первое глобальное определение двадцать первой кристаллической формы льда.
Исследователи также подробно определили структуру Льда XXI и картировали различные пути, ведущие к его формированию. Лед XXI демонстрирует необычно большую и сложную элементарную ячейку по сравнению с другими известными фазами. Геометрия кристалла представляет собой уплощенную прямоугольную решетку, в которой две базовые грани имеют одинаковую длину.
В этом открытии участвовали 33 исследователя из Южной Кореи, Германии, Японии, США и Англии, а также ученые из European XFEL и DESY. Проект был предложен и возглавлен KRISS под руководством доктора Ли Гын У, который выступил в качестве главного исследователя. Команда KRISS, включая доктора Ким Джин Кюна, доктора Ким Йонг-Джэ, доктора Ли Юн-Хи, доктора Ким Миню, доктора Чо Йонг Чана и доктора Ли Гын У, руководила экспериментальным дизайном, сбором данных и структурным анализом, что позволило впервые идентифицировать Лед XXI. Их работа представляет собой значительный прорыв в физике высоких давлений и планетологии.
Доктор Ли Юн-Хи отметил: «Плотность Льда XXI сопоставима с плотностью слоев льда под высоким давлением внутри ледяных спутников Юпитера и Сатурна. Это открытие может дать новые ключи к исследованию происхождения жизни в экстремальных условиях космоса». Доктор Ли Гын У добавил: «Объединив нашу собственную технологию dDAC с XFEL, мы смогли запечатлеть мимолетные моменты, которые были недоступны с помощью обычных приборов. Продолжение исследований в области сверхвысоких давлений и других экстремальных сред откроет новые горизонты в науке».
Ранее были описаны фазы льда от Льда I до Льда XX. Лед I существует в двух структурных формах: гексагональный Лед Ih и кубический Лед Ic. Исследование получило поддержку в рамках Проекта по разработке высокотемпературных материалов и технологий измерения для ракетных двигателей класса 4000 К Национального исследовательского совета по науке и технологиям (NST). Результаты работы были опубликованы в октябре в журнале Nature Materials (Импакт-фактор: 38.5).
