Исследователи из Корейского института стандартов и науки (KRISS) впервые зафиксировали 21-ю разновидность кристаллического льда, получившую название Ice XXI, которая формируется при давлении более 2 ГПа в условиях обычной комнатной температуры. Это достижение углубляет понимание механизмов кристаллизации, прокладывая путь к синтезу принципиально новых материалов и раскрывая тайны процессов, происходящих в глубинах ледяных космических тел, таких как спутники Юпитера и Сатурна.
Алмазные наковальни. Источник изображения: KRISS
Прорыв стал возможен благодаря отслеживанию многократных циклов замерзания и оттаивания воды в микросекундном диапазоне, что выявило неизвестные ранее варианты кристаллизации. До этого науке были известны 20 кристаллических и две аморфные фазы льда, существование которых определяется температурой и давлением. Наиболее сложной для исследования областью фазовых превращений считается интервал от 0 до 2 ГПа, где концентрируется свыше десяти различных фаз. Корейским учёным удалось чётко идентифицировать новую кристаллическую модификацию льда на верхней границе этого интервала — при комнатной температуре и давлении 2 ГПа (20 тысяч атмосфер).
Известные кристаллические формы водяного льда
В ходе эксперимента команда KRISS разработала и использовала динамическую алмазную наковальню (dDAC), обеспечивающую равномерное сжатие образцов по всему объёму с высокой скоростью — в миллисекундном диапазоне. Традиционные алмазные наковальни создавали давление в течение нескольких секунд и делали это неравномерно, что часто провоцировало очаги ранней кристаллизации из-за возникновения градиента давления.
Приставку «динамическая» наковальня получила благодаря оснащению пьезоэлектрическими сенсорами. Эти датчики позволили в режиме реального времени контролировать создаваемое давление и реакцию образца. В качестве исследуемого вещества использовалась обычная вода.
Элементарная кристаллическая ячейка Льда XXI
В экспериментальных условиях при стандартной температуре окружающей среды и давлении 2 ГПа исследователям удалось получить кристаллический лёд шестой фазы. Затем был задействован Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (European XFEL). Благодаря этому оборудованию учёные смогли в микросекундном временном диапазоне зафиксировать неизвестные ранее механизмы кристаллизации, в том числе открытие новой модификации льда — Ice XXI. Стоит отметить, что официально Россия продолжает оставаться одним из ключевых акционеров European XFEL, инвестировав в проект 27% от общей суммы. Тем не менее, с 2022 года участие российских специалистов в работах European XFEL приостановлено.
Лёд XXI отличается уникальным строением с объёмной и сложной элементарной кристаллической ячейкой, напоминающей плоскую равностороннюю коробку, что позволило назвать его самой поразительной кристаллической формой льда из всех известных на сегодня. Это открытие также представляет собой важный шаг в развитии планетологии и материаловедения, полное значение которого ещё предстоит оценить.
