Przełom w badaniach: metastabilna struktura
Lód XXI różni się zasadniczo od wszystkich dotychczas poznanych form. Jest metastabilny, co oznacza, iż może utrzymywać swoją strukturę przez pewien czas, nawet jeśli w danych warunkach inna forma lodu byłaby bardziej stabilna energetycznie. To trochę jak balansowanie na krawędzi: struktura istnieje, choć natura wolałaby, żeby przyjęła inną postać. Najbardziej zdumiewające jest to, że proces krystalizacji zachodzi w temperaturze pokojowej. Kluczowe okazało się ekstremalne ciśnienie sięgające dwóch gigapaskali, czyli około dwudziestu tysięcy razy więcej niż normalne ciśnienie atmosferyczne. W takich warunkach woda przechodzi w stan „superściśnięty”.
Szybka kompresja wody pozwala jej pozostać w stanie ciekłym przy wyższych ciśnieniach, gdzie powinna już skrystalizować w lód VI – wyjaśnia Geun Woo Lee z KRISS
Czytaj też: Defekty, które czynią cuda. Grafen staje się dzięki nim materiałem nie z tej Ziemi
Odkrycie było możliwe dzięki wykorzystaniu najnowocześniejszego sprzętu badawczego. Naukowcy zastosowali dynamiczne komórki diamentowe oraz błyski rentgenowskie z European XFEL i PETRA III w niemieckim DESY. Technologia ta pozwoliła na rejestrowanie obrazów próbki co mikrosekundę, co dało bezprecedensowy wgląd w proces krystalizacji.
Dzięki unikalnym impulsom rentgenowskim European XFEL odkryliśmy wiele ścieżek krystalizacji w H2O, która była szybko sprężana i rozprężana ponad 1000 razy za pomocą dynamicznej komórki diamentowej- dodaje badacz
Członkowie zespołu zaobserwowali co najmniej pięć różnych ścieżek krystalizacji i topnienia, które obejmują nie tylko lód XXI, ale także metastabilny lód VII i stabilny lód VI. Wyniki te potwierdzają regułę stopni Ostwalda, która tłumaczy, dlaczego w przyrodzie często najpierw tworzą się formy metastabilne, zanim substancja przyjmie ostateczną, stabilną strukturę.
Struktura krystaliczna. Złożoność ułożenia molekuł
Nowo odkryta forma lodu charakteryzuje się tetragonalną strukturą krystaliczną zawierającą 152 cząsteczki wody w komórce elementarnej. To niezwykle skomplikowane ułożenie przekłada się na gęstość wynoszącą 1,413 grama na centymetr sześcienny. Dla porównania, zwykły lód ma gęstość około 0,917 g/cm³.
Struktura, w której ciekła H2O krystalizuje, zależy od stopnia superkompresji cieczy – zauważa Woo Lee
Procesy zachodzące podczas formowania się lodu XXI są niezwykle złożone. Ewolucja strukturalna wody superściśniętej od wody o wysokiej gęstości do wody o bardzo wysokiej gęstości odgrywa kluczową rolę w selekcji odpowiedniej fazy krystalicznej. Dokonane odkrycie ma istotne implikacje dla naszego rozumienia warunków panujących na lodowych księżycach, takich jak Tytan czy Ganimedes. Lód VI, który również obserwowano podczas badań, uważany jest za kluczowy składnik wnętrz tych ciał niebieskich.
Nasze odkrycia sugerują, że może istnieć większa liczba wysokotemperaturowych metastabilnych form lodu i związanych z nimi ścieżek przejścia, potencjalnie oferując nowe spojrzenie na skład lodowych księżyców – odnotowuje Rachel Husband z DESY HIBEF
Na Ziemi badania te mogą przyczynić się do rozwoju precyzyjnych modeli molekularnych wody i roztworów wodnych, co z kolei otwiera drogę do projektowania nowych materiałów funkcjonalnych. Zrozumienie fundamentalnych właściwości wody ma kluczowe znaczenie dla wielu dziedzin nauki i technologii. My widzimy natomiast, iż woda, która towarzyszy nam na co dzień, wciąż skrywa tajemnice czekające na rozwiązanie.