Обычно первое, что приходит на ум, когда заходит речь о твердых телах – это кристаллическая решетка. Почему-то у большинства людей это именно так. Да, чуть позже вспоминают и примеры сложных веществ (дерево, например), где упорядоченностью не пахнет. Но первая ассоциация – кристаллическая решетка.
В действительности природа значительно многообразнее, вещество совершенно не обязано относится к одной из двух крайностей. И в качестве хорошего примера здесь можно привести лед, который в зависимости от внешних условий может образовать как аморфную, так и кристаллическую структуру.
Первопроходцами современных исследований льда можно читать британцев Джона Бернала и Ральфа Фаулера, которые в начале 20-ого века экспериментально продемонстрировали гексагональную (т.е. в виде шестигранных призм) кристаллическую решетку обыкновенного водяного льда. Но тогдашние технологии не позволили увидеть всю структуру целиком. Сами молекулы воды увидеть было нельзя, но хорошо различались те атомы, вокруг которых концентрируются электроны. В случае льда – это атомы кислорода. А вот о месте атомов водорода в кристаллической решетке ученым пришлось гадать. Гипотеза была такая: ядра атомов могут располагаться либо по два вблизи каждого иона кислорода, либо по одному между двумя соседними ионами. Эта гипотеза получила название «правила льда».
Их работу продолжил американский химик Лайнус Полинг, который в соответствии с этими правилами определил возможные конфигурации ледяных кристаллических решеток и рассчитал их характеристики. Эти результаты проверили экспериментально, и они совпали с точностью до десятых долей процента.
В процессе Полинг указал на одну интересную особенность льда. По «правилам» каждый атом кислорода постоянно удерживает около себя два и только два атома водорода. На большее число атомов водорода кислородный атом заметно влиять не может, а значит, не может заметно влиять и на атомы водорода соседних молекул. Поэтому между молекулами воды во льду действуют довольно слабые водородные связи, причем каждая молекула может сформировать четыре таких связи. Из-за этого молекулы организованы в тетраэдрическую структуру – четыре молекулы находятся в вершинах тетраэдра, а пятая в центре. В результате вся структура льда представляет собой связанные между собой слои из гексагональных колец. Такая структура не относится к одному из вариантов плотной упаковки молекул, и именно поэтому лед оказывается рыхлым и менее плотным, чем вода.
Кроме того, такая организация связей влияет еще и на электрические свойства льда. В частности, если бы молекулы были плотно упакованы и ориентированы в одну стороны, лед демонстрировал бы макроскопическую электрическую поляризацию, т.е. был бы сегнетоэлектриком.
Все меняется, когда в лед попадают примеси. Их молекулы выступают как своеобразные «точки кристаллизации», вокруг которых зарождаются области упорядоченности, а лед приобретает легкие свойства слабого сегнетоэлектрика. И вот этому эффекту в своей последней работе смогли дать объяснение ученые из итальянских Международной школы передовых исследований, Международного центра теоретической физики Абдуса Салама и Института физики Росарио.
Согласно предложенной модели, как только примесь попадает в лед в его начальном неравновесном низкотемпературном неупорядоченном состоянии, она начинает работать как своеобразная затравка для формирования области упорядочивания, но делает это весьма специфично – не все молекулы льда вокруг молекулы примеси начинают ориентироваться, а только те, что расположены впереди или позади примесной молекулы. И вот такая особенность и может послужить причиной слабости сегнетоэлектрических свойств льда.
Такая вот интересная гипотеза в довольно интересной области науки о льдах. Что это даст с практической точки зрения? Черт его знает. Рано или поздно что-то даст.
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.