Простая вода, что может удивить, долгое время ставили ученых в тупик. Например, вода имеет наибольшую плотность при температуре 4 градуса по Цельсию и становится менее плотной при замерзании (отсюда и плавучесть льда). Кроме того, чем больше вы сжимаете жидкую воду, тем легче ее сжимать, что противоречит принципам, справедливым для большинства других веществ.
Еще больше вопросов возникло, когда была открыта необычная форма льда. Аморфный лед был впервые обнаружен в форме низкой плотности в 1930-х годах, когда ученые конденсировали водяной пар на металлической поверхности, охлажденной до -110 градусов по Цельсию. Его состояние высокой плотности было обнаружено в 1980-х годах, когда обычный лед сжимался почти до -200 градусов по Цельсию. Хотя аморфный лед распространен в космосе, на Земле считается, что он встречается только в холодных верхних слоях атмосферы.
Аморфные льды могли объяснить странное поведение воды. До сих пор существовало два основных типа аморфного льда: аморфный лед высокой плотности и аморфный лед низкой плотности. Как следует из названий, между ними существует большой разрыв в плотности. Этот разрыв в плотности в сочетании с тем фактом, что плотность жидкой воды находится посередине, стал краеугольным камнем нашего понимания жидкой воды. Отчасти это привело к предположению, что вода состоит из двух жидкостей: жидкости с высокой плотностью и жидкости с низкой плотностью.
Принято считать, что в пределах этого разрыва плотности льда нет. Новое исследование этому противоречит. Как смогли показать ученые, плотность MDA находится точно в пределах этого разрыва плотности, и это открытие может иметь далеко идущие последствия для нашего понимания жидкой воды и ее многочисленных аномалий.
Новая форма льда — аморфная. В отличие от обычного кристаллического льда, молекулы которого располагаются в регулярном порядке, в аморфном льду молекулы находятся в неорганизованной форме, напоминающей жидкость.
В своей статье, опубликованной в журнале Science, команда создала новую форму аморфного льда в эксперименте и создала его модель в атомном масштабе с помощью компьютерного моделирования. В экспериментах использовалась техника, называемая шаровой мельницей, которая измельчала кристаллический лед на мелкие частицы с помощью металлических шариков в стальной банке. Шаровая мельница регулярно используется для изготовления аморфных материалов, но никогда не применялась для льда.
Команда обнаружила, что шаровая мельница создала аморфную форму льда, которая, в отличие от всех других известных льдов, имела плотность, аналогичную плотности жидкой воды, и чье состояние напоминало воду в твердой форме. Они назвали новый лед аморфным льдом средней плотности (MDA).
Открытие MDA ставит вопрос: где он может существовать в природе? В этом исследовании было обнаружено, что силы сдвига являются ключом к созданию MDA. Команда предполагает, что обычный лед может подвергаться подобным сдвиговым усилиям на ледяных спутниках из-за приливных сил, создаваемых газовыми гигантами, такими как Юпитер.
Более того, MDA обладает одним замечательным свойством, которого нет у других форм льда. Используя калориметрию, они обнаружили, что когда MDA перекристаллизовывается в обычный лед, выделяется огромное количество тепла. Тепло, выделяющееся при перекристаллизации MDA, могло играть роль в активизации тектонических движений. В более широком смысле это открытие показывает, что вода может быть высокоэнергетическим геофизическим материалом.
