Ученые экспериментально подтвердили существование необычной формы льда, получившей название "пластичный лед" (plastic ice). Эта удивительная субстанция обладает уникальными свойствами, сочетая в себе признаки как твердого, так и жидкого состояния. Предположение о возможности существования подобного льда было выдвинуто еще в начале 2000-х годов, однако лишь технологический прогресс наших дней позволил воссоздать экстремальные условия, необходимые для его формирования, и доказать его реальность на практике.
Для получения пластичного льда, исследователи подвергли обычную жидкую воду воздействию колоссального давления и одновременно высокой температуры. Эксперимент проводился в Институте Лауэ-Ланжевена во Франции под руководством физика Ливии Бове. Воду нагревали до 326 градусов Цельсия и сжимали до 60 тысяч бар – это давление в 60 тысяч раз превышает атмосферное давление на уровне моря! В таких экстремальных условиях вода преобразовывалась в вещество, структура которого напоминала кристаллическую решетку льда, но при этом молекулы воды внутри этой решетки демонстрировали вращательное движение, характерное для жидкости. Именно это сочетание свойств и обусловило название – "пластичный лед", подчеркивающее его способность к деформации, подобно пластику.
Со школьных времен мы привыкли к трем агрегатным состояниям воды – твердому, жидкому и газообразному. Однако, как выясняется, мир воды гораздо богаче и разнообразнее. На сегодняшний день известно более 20 различных форм льда, возникающих при разных комбинациях температуры и давления. Пластичный лед – лишь один из представителей этого семейства, долгое время остававшийся лишь теоретической концепцией, а теперь получивший весомое экспериментальное подтверждение.
В жидкой воде отдельные молекулы могут свободно перемещаться и вращаться, тогда как в твердом льду они могут только вибрировать на месте. Между тем, в пластичном льду молекулы воды удерживаются в фиксированных положениях, но они также могут вращаться на месте.
В ходе эксперимента, ученые использовали нейтронное излучение для изучения поведения молекул воды в экстремальных условиях. Направленный пучок нейтронов проходил сквозь образец воды, взаимодействуя с молекулами и позволяя отслеживать их вращение и скорость. Анализ рассеянных нейтронов дал исследователям детальную картину молекулярной динамики пластичного льда. Результаты этого прорывного исследования были опубликованы в престижном научном журнале Nature, что подчеркивает его значимость для научного сообщества.
Интересно, что поведение молекул пластичного льда оказалось несколько неожиданным даже для ученых. Вопреки первоначальным предположениям, молекулы не вращаются совершенно свободно, как в обычной жидкой воде. Вместо этого, они периодически разрывают водородные связи, позволяющие им вращаться, а затем вновь образуют их, связываясь с другими молекулами. Такой механизм вращения придает пластичному льду его уникальные свойства.
Открытие пластичного льда имеет важное значение не только для фундаментальной науки, но и для астрофизики и планетологии. Ученые предполагают, что пластичный лед мог существовать в огромных количествах на ранних этапах формирования Солнечной системы, а также может быть распространен в недрах ледяных спутников планет-гигантов, таких как Европа и Титан. Эти небесные тела, вероятно, содержали обширные водные резервуары под высоким давлением, где мог формироваться пластичный лед. Более того, подобные условия могут существовать и на экзопланетах и экзолунах, обладающих гигантскими океанами, глубина которых может достигать тысяч километров. Таким образом, изучение пластичного льда открывает захватывающие перспективы для понимания состава и процессов, происходящих в глубинах далеких миров.