Odkryto zupełnie nową fazę lodu
Nie każdy lód wodny jest taki sam. Układ cząsteczek tworzących kryształy jest inny w zależności od ciśnienia i temperatury, w jakich się tworzy. Naukowcy znają 18 różnych faz lodu - niektóre występują naturalnie, a inne tylko w warunkach laboratoryjnych. Teraz potwierdzili występowanie dziewiętnastej fazy.
Trzy lata temu zespół badaczy zmodyfikował jedną z istniejących struktur lodu, przekształcając ją w formę, która została nazwana lodem β-XV. Teraz członkowie tego zespołu określili jego dokładną strukturę krystaliczną, odpowiadając na pytania, jak powstaje, i nadając mu nazwę lodu XIX.
Odkrycie to może pomóc nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób lód tworzy się i zachowuje w obcych warunkach, bardzo różnych od tych występujących na Ziemi.
Lód, który widzimy w zamrażarce lub spadający z nieba w postaci płatków śniegu czy gradu, jest najbardziej powszechnym naturalnym lodem na Ziemi. Nazywany jest on lodem I, a jego atomy tlenu ułożone są w sześciokątną siatkę. Ale występujące w nim atomy wodoru są znacznie bardziej nieuporządkowane.
Kiedy lód I jest schładzany w odpowiedni sposób, atomy wodoru mogą zostać okresowo uporządkowane. W ten sposób naukowcy w laboratorium mogą tworzyć różne fazy lodu, które mają znacznie bardziej uporządkowane sieci cząsteczek krystalicznych niż ich nieuporządkowane formy macierzyste.
Zespół chemików fizycznych z Uniwersytetu w Innsbrucku pracuje już od jakiegoś czasu nad fazą lodu VI. Jest to jedna z postaci lodu, którą można znaleźć w przyrodzie, ale tylko pod bardzo wysokim ciśnieniem, 10 000 razy wyższym niż ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza (około 1 gigapaskala), takim jak to występujące w płaszczu Ziemi, lub owiniętym wokół jądra księżyca Saturna - Tytana.
Podobnie jak lód I, lód VI jest stosunkowo nieuporządkowany. Jego uporządkowana wodorowo forma - lód XV - została odkryta dopiero około dekady temu. Powstaje on poprzez schłodzenie lodu do temperatury poniżej -143oC przy ciśnieniu około 1 gigapaskala.
Kilka lat temu, poprzez zmianę tego procesu, badacze stworzyli inną fazę lodu. Spowolnili schładzanie i jeszcze bardziej obniżyli temperaturę, a ciśnienie zwiększyli do 2 gigapaskali. W ten sposób powstał drugi układ cząsteczek wodoru, różniący się od lodu XV, który nazwano lodem β-XV.
Potwierdzenie, że lód ten był oddzielną fazą, stanowiło osobną przeszkodę, wymagającą zastąpienia normalnej wody tzw. ciężką wodą. "Normalny" wodór nie ma neutronów w jądrze, ale ciężka woda jest oparta na deuterze - formie wodoru, która ma jeden neutron w jądrze.
Aby określić kolejność atomów w sieci krystalicznej, naukowcy muszą rozpraszać neutrony z jąder, więc nie da się tego zrobić ze zwykłymi atomami wodoru.
- Niestety, znacznie wydłuża to również czas porządkowania lodu. Doktorant Tobias Gasser wpadł na pomysł, aby do ciężkiej wody dodać kilka procent zwykłej wody, co znacznie przyspieszyło właściwy proces - powiedział Thomas Loerting, chemik z Uniwersytetu w Innsbrucku.
Pozwoliło to naukowcom uzyskać dane neutronowe, których potrzebowali, aby poskładać strukturę kryształu. Jak przypuszczano, różniła się ona od lodu XV, zyskując oficjalne miejsce jako dziewiętnasta znana faza - lód XIX.
Lód XV i lód XIX to pierwsze znane fazy, które mają taką samą strukturę sieci tlenu, ale różnią się układem atomów wodoru. To rodzaj chemicznego rodzeństwa, którego nie obserwowaliśmy wcześniej.
