Co ciekawe, ta nowa faza powstaje w warunkach, które wydają się sprzeczne z intuicją – w temperaturze pokojowej, ale pod ogromnym ciśnieniem. Międzynarodowa grupa badawcza kierowana przez Koreański Instytut Norm i Nauki zidentyfikowała i opisała nową fazę lodu, co może dostarczyć nowych informacji o lodowych księżycach krążących wokół planet Układu Słonecznego.
Nowa forma lodu zaskoczyła naukowców
Strukturalnie lód XXI różni się od wszystkich dotychczas poznanych form. Jego wytworzenie wymaga szybkiego sprężenia wody do ciśnienia sięgającego 2 GPa (gigapaskali), co odpowiada około 20 tys. razy większemu naciskowi niż normalne ciśnienie atmosferyczne.
Czytaj też: Szklisty stan zamiast lodu. Jak naukowcom udało się ożywić zamrożoną tkankę mózgową
Geun Woo Lee z KRISS wyjaśnia:
Szybkie sprężanie wody pozwala jej pozostać w stanie ciekłym do wyższych ciśnień, gdzie powinna już skrystalizować w lód VI.
Nowo odkryta faza charakteryzuje się metastabilnością, co oznacza, że może istnieć przez pewien czas nawet w warunkach, w których bardziej stabilne byłyby inne formy lodu. Zjawisko to przypomina sytuację, gdy woda pozostaje w stanie ciekłym poniżej punktu zamarzania, zanim gwałtownie przekształci się w lód.
Badacze zaobserwowali, że struktura krystalizacji wody zależy od stopnia supersprężenia cieczy. Lód XXI posiada tetragonalną strukturę krystaliczną zbudowaną ze zaskakująco dużych jednostek powtarzalnych, znanych jako komórki elementarne. Do tych obserwacji konieczne było wykorzystanie najnowocześniejszych instrumentów badawczych dostępnych w Europie.
Kluczową rolę w eksperymentach odegrały diamentowe komory wysokociśnieniowe, w których próbki wody były ściskane między końcówkami dwóch przeciwległych diamentowych kowadeł.
Cornelius Strohm z zespołu DESY HIBEF opisuje:
W tej specjalnej komorze ciśnieniowej próbki są ściskane między końcówkami dwóch przeciwległych diamentowych kowadeł i mogą być sprężane wzdłuż zdefiniowanej ścieżki ciśnienia.
Procedura badawcza wymagała niezwykłej precyzji – próbki wody sprężano do 2 Gpa w ciągu zaledwie 10 ms, a następnie rozprężano przez 1 sekundę. Cały cykl powtarzano ponad 1000 razy, podczas gdy błyski rentgenowskie rejestrowały obrazy próbki co mikrosekundę, tworząc szczegółowe zapisy powstawania struktury lodu.
Geun Woo Lee dodaje:
Dzięki unikalnym impulsom rentgenowskim European XFEL odkryliśmy wiele ścieżek krystalizacji H2O, która była szybko sprężana i rozprężana ponad 1000 razy przy użyciu dynamicznej komory diamentowej.
Odkrycie ma szczególne znaczenie dla astrofizyki i badań nad lodowymi księżycami w Układzie Słonecznym. Lód VI, który jest szczególnie intrygującą fazą, uważany jest za obecny we wnętrzach lodowych księżyców, takich jak Tytan i Ganimedes.
Wyniki badań sugerują, że może istnieć znacznie więcej wysokotemperaturowych metastabilnych faz lodu niż dotychczas sądzono.
Rachel Husband z zespołu DESY HIBEF komentuje:
Nasze odkrycia sugerują, że może istnieć większa liczba wysokotemperaturowych metastabilnych faz lodu i związanych z nimi ścieżek przejścia, potencjalnie oferując nowe spojrzenie na skład lodowych księżyców.
Zarówno DESY, jak i European XFEL prowadzą skoordynowane działania w ramach inicjatyw takich jak Centre for Molecular Water Science i Water Call. Wyniki badań, opublikowane w czasopiśmie Nature Materials, otwierają nowe możliwości badawcze i mogą przyczynić się do lepszego zrozumienia procesów zachodzących zarówno na Ziemi, jak i w odległych zakątkach kosmosu.