Współpraca między naukowcami z Cambridge i UCL doprowadziła do odkrycia nowej formy lodu, która bardziej niż jakakolwiek inna przypomina wodę w stanie ciekłym i może być kluczem do zrozumienia tej najsłynniejszej cieczy.
Nowa forma lodu jest amorficzna. W przeciwieństwie do zwykłego lodu krystalicznego, w którym cząsteczki układają się w regularny wzór, w lodzie amorficznym cząsteczki są w zdezorganizowanej formie, która przypomina ciecz.
W tym artykule, opublikowanym w Science, zespół stworzył w eksperymencie nową formę amorficznego lodu i uzyskał jego model w skali atomowej w symulacji komputerowej. Eksperymenty wykorzystywały technikę zwaną mieleniem kulowym, która rozdrabnia krystaliczny lód na małe cząstki za pomocą metalowych kulek w stalowym słoju. Młyn kulowy jest regularnie używany do wytwarzania materiałów amorficznych, ale nigdy nie był stosowany do lodu.
Zespół odkrył, że mielenie kulowe stworzyło nową amorficzną formę lodu, która w przeciwieństwie do wszystkich innych znanych lodów miała gęstość podobną do wody w stanie ciekłym i której stan przypominał wodę w postaci stałej. Nazwali nowy lód amorficzny o średniej gęstości (MDA).
Aby zrozumieć proces w skali molekularnej, zespół zastosował symulację obliczeniową. Naśladując procedurę mielenia kulowego poprzez powtarzane losowe ścinanie krystalicznego lodu, zespołowi udało się stworzyć model obliczeniowy MDA.
„Nasze odkrycie MDA rodzi wiele pytań dotyczących samej natury wody w stanie ciekłym, dlatego zrozumienie dokładnej struktury atomowej MDA jest bardzo ważne” – komentuje współautor, dr Michael Davies, który przeprowadził modelowanie komputerowe. „Odkryliśmy niezwykłe podobieństwa między MDA a wodą w stanie ciekłym”.
Szczęśliwy środek
Sugerowano, że amorficzne lody są modelami wody w stanie ciekłym. Do tej pory istniały dwa główne rodzaje lodu amorficznego: lód amorficzny o dużej gęstości i lód amorficzny o małej gęstości.
Jak sugerują nazwy, istnieje między nimi duża różnica gęstości. Ta różnica gęstości, w połączeniu z faktem, że gęstość wody w stanie ciekłym leży pośrodku, była kamieniem węgielnym naszego zrozumienia wody w stanie ciekłym. Doprowadziło to częściowo do sugestii, że woda składa się z dwóch cieczy: jednej o dużej i jednej o małej gęstości.
Starszy autor, profesor Christoph Salzmann, powiedział: „Przyjętą mądrością jest to, że w tej różnicy gęstości nie ma lodu. Nasze badanie pokazuje, że gęstość MDA mieści się dokładnie w tej różnicy gęstości, a to odkrycie może mieć daleko idące konsekwencje dla naszego zrozumienia cieczy woda i jej liczne anomalie”.
Wysokoenergetyczny materiał geofizyczny
Odkrycie MDA rodzi pytanie: gdzie może występować w przyrodzie? W tym badaniu odkryto, że siły ścinające są kluczem do tworzenia MDA. Zespół sugeruje, że zwykły lód może podlegać podobnym siłom ścinającym w lodowych księżycach z powodu sił pływowych wywieranych przez gazowe olbrzymy, takie jak Jowisz.
Co więcej, MDA wykazuje jedną niezwykłą właściwość, której nie ma w innych formach lodu. Korzystając z kalorymetrii, odkryli, że kiedy MDA rekrystalizuje do zwykłego lodu, uwalnia niezwykłą ilość ciepła. Ciepło uwalniane z rekrystalizacji MDA może odgrywać rolę w aktywowaniu ruchów tektonicznych. Mówiąc szerzej, to odkrycie pokazuje, że woda może być wysokoenergetycznym materiałem geofizycznym.
Prof. Angelos Michaelides, główny autor z Cambridge, powiedział: „Ogólnie mówi się, że lód amorficzny jest najbardziej rozpowszechnioną formą wody we wszechświecie. Rozpoczyna się wyścig, aby zrozumieć, ile z niego to MDA i jak aktywny geofizycznie jest MDA” ”.