Исследователи из Университетского колледжа Лондона и Кембриджского университета обнаружили новый тип льда, который больше похож на жидкую воду, чем на любой другой известный лед.
Специалисты различают более двадцати модификаций кристаллического льда и три разновидности аморфного льда. На Земле почти весь водяной лед представлен только одной из кристаллической формой — лед Ih, который имеет гексагональную кристаллическую структуру, каждая молекула воды в нем окружена четырьмя другими молекулами, находящимися в вершинах правильного тетраэдра. Расстояние между молекулами составляет 2,76 ангстрема. Незначительная часть льда в верхних слоях атмосферы относится к типу Iс, который имеет кубическую структуру кристаллов. Такой лед образуется при температуре от −133 °C до −123 °C и сохраняет свою структуру до −73 °C, а в дальнейшем переходит в лед Ih. Для образования прочих типов водяного льда необходимы особые условия, прежде всего высокое давление.
Аморфный лед разделяется на лед низкой (0,93 г/см³), высокой (1,17 г/см³) и очень высокой плотности (1,26 г/см³). Аморфный лед низкой плотности был открыт в 1930-х годах, когда ученые конденсировали водяной пар на металлической поверхности, охлажденной до –110 градусов по Цельсию. Лед высокой плотности был обнаружен в 1980-х годах, когда обычный лед сжимали при еще более низких температурах, а лед очень высокой плотности открыли в 1996 году, нагревая аморфный лед высокой плотности до 160 К (–113,15 °C) при давлении от 1 до 2 ГПа.
На Земле аморфный лед редок, его можно встретить лишь в верхних слоях атмосферы, зато предполагается, что аморфный лед низкой плотности служит основным материалом комет и содержится на поверхности других планет. Преобладание в космосе аморфного льда связывается с тем, что в холодной космической среде льду не хватает космической энергии для кристаллизации.
Исследовательская группа использовала так называемую «шаровую мельницу», которая энергично встряхивала обычный лед вместе со стальными шариками в сосуде, охлажденном жидким азотом до –200 °C. Плотность измельченного льда определялась по его плавучести в жидком азоте. Исследователи использовали ряд других методов для анализа структуры и свойств полученного льда, в том числе рентгеновскую дифракцию и рамановскую спектроскопию. В результате была получена новая аморфная форма льда, которая, в отличие от всех других известных льдов, имела ту же плотность, что и жидкая вода. Новый лед назвали «аморфным льдом средней плотности» (medium-density amorphous ice, MDA).
Ученые предполагают, что MDA, который выглядит как мелкий белый порошок, может существовать внутри ледяных спутников внешней Солнечной системы, поскольку приливные силы газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн, могут оказывать на обычный лед воздействие, подобное тому, что создается шаровой мельницей. Кроме того, команда обнаружила, что, когда MDA нагревался и перекристаллизовывался, он выделял необычайное количество тепла, а это означало, что он мог вызвать тектонические движения и «ледотрясения» в многокилометровом ледяном покрове на таких спутниках, как Ганимед.
Итоги исследования опубликованы в журнале Science.
