Классическое исследование показало, что кристаллический лёд при сжатии принимает аморфную форму. В настоящее время эксперименты показывают, что могут происходить альтернативные фазовые переходы, что имеет значение для теорий о структуре воды.
Вода не является простым соединением - она проявляет много аномальных физических поведений, которые не поддаются адекватному объяснению.
Поэтому приветствуется любая свежая информация о структуре воды в ее различных конденсированных формах.
В исследовании воды под высоким давлением, обнаружили, что он проходит через последовательность кристаллических фаз, а не образует аморфное твердое вещество.
Температура плавления обычного кристаллического льда уменьшается с увеличением давления. Это наблюдение вдохновило на грандиозное исследование в 1984 году, которое пыталось определить, будет ли такой лед таять при сжатии при низких температурах с образованием твердого вещества, имеющего неупорядоченную молекулярную структуру, напоминающую структуру жидкой воды.
Исследование показало, что лед, сжатый при 77 Кельвин, разрушается в плотную форму, известную как аморфный лед высокой плотности (ВП), который может быть извлечен при низких температурах под давлением окружающей среды. Примечательно, что при нагревании и при давлении окружающей среды лед ВП превращается в аморфную (НП) форму с низкой плотностью, а не возвращается в исходное кристаллическое состояние.
Измерения, проведенные в условиях последовательного сжатия и декомпрессии, показали, что изменение объема, связанное с взаимопревращением между льдом ВП и льдом НП, является прерывистым, и что переход между этими двумя формами льда является обратимым и, по-видимому, не включает образование любые промежуточные фазы.
Когда кристаллическое твердое вещество сжимается в гидростатических условиях, которые позволяют достичь термодинамического равновесия, ожидается, что оно трансформируется в другую кристаллическую фазу. Вместо этого образование метастабильной аморфной фазы предполагает, что энергетический барьер препятствует превращению твердого вещества во вторую кристаллическую структуру. Такой барьер может быть разрушен, если твердое тело сжимается медленно, что дает время для релаксации структуры и достижения термодинамического равновесия. В этом сценарии образование аморфной фазы будет описываться как кинетический эффект, поскольку он зависит от количества времени, которое дается для перехода.
Лед и минералы α- кварц и берлинит были архетипическими примерами кристаллических твердых тел, которые становятся аморфными под давлением. Однако теперь известно, что последние два соединения превращаются в кристаллические структуры при сжатии под равномерным (изотропным) давлением. Передающие давление среды, используемые для изотропного сжатия α- кварца и берлинита, несовместимы с водой при высоких давлениях; другого подходящего датчика давления не было.
Итак, похож ли лед высокой плотности по структуре на жидкую воду?
Ранее сообщенный анализ термодинамики аморфизации льда показал, что наблюдаемое давление, при котором лед ВП образуется из нормального льда при низких температурах, намного выше, чем давление, при котором нормальный лед будет таять при тех же температурах. Обнаружено, что лед ВП при нагревании превращается в еще более плотную аморфную форму, что показывает, что он является кинетическим продуктом быстрого сжатия. И нейтронное и рентгеноструктурное исследование льда, декомпрессированного при постоянных температурах, показало, что превращение льда ВП в лед НП включает несколько промежуточных аморфных форм и, следовательно, не является процессом первого порядка. Вычислительные исследования молекулярной динамики льда при постоянном давлении также использовались для воспроизведения основных характеристик и поведения аморфного льда.
Полученные данные показывают, что структура льда ВП не связана со структурой жидкой воды. Это переходная фаза, которая лежит между фазами льда, которые содержат отдельные сети молекул, которые связаны водородными связями, и фазами льда, которые состоят из взаимопроникающих сетей водородных связей. Существенная реконструкция, которая необходима для преобразования отдельных сетей во взаимопроникающие, требует преодоления большого энергетического барьера.
Следовательно, при низких температурах сжатый лед вначале оседает в аморфном состоянии, но в конечном итоге может преодолеть энергетический барьер, образуя лед. Таким образом, структура льда ВП, скорее всего, будет искаженной формой.
Предположение о том, что существование двух аморфных льдов с разной плотностью поддерживает двухжидкостную модель воды, должно быть пересмотрено.
