Большая часть воды во Вселенной присуща форме, мало распространенной на Земле. Новое исследование, объединяющее компьютерное моделирование и эксперименты, обнаружило, что замерзшая в космическом вакууме вода ведёт себя иначе, чем считалось учёными.
Считалось, что лед в космосе аморфен — молекулы хаотично расположены без определенной структуры. Сейчас выяснилось, что могут присутствовать нанокристаллы — упорядоченные участки размером несколько нанометров, встроенные в общую аморфную массу. Открытие неожиданно, потому что ученые полагали, что в холодных условиях космоса у молекул льда недостаточно энергии для кристаллизации.
«Ученые получили четкое представление о структуре самой распространенной формы льда во Вселенной на атомном уровне. — говорит физик Майкл Бенедикт Дэвис из Университетского колледжа Лондона и Кембриджского университета. Это важно, так как лед принимает участие во множестве космологических процессов, включая образование планет, эволюцию галактик и движение вещества во Вселенной. «.
Вода обладает необычными свойствами, и учёные нашли более двадцати различных фаз льда, формирующихся при разных условиях. На Земле лед имеет кристаллическую структуру, где молекулы образуют решетку. В космосе полагали, что лед должен быть аморфным, то есть неупорядоченным. Но некоторые исследования показывают, что возможно наличие кристаллических участков даже в аморфном льде.
Учёные проверили гипотезу с помощью компьютерного моделирования замерзания воды при температуре около –120 °C с разными скоростями. Моделирование показало, что наилучшим образом соответствует экспериментальным данным структура, состоящая примерно на 20% из кристаллического льда и на 80% из аморфного.
В лаборатории исследователи воспроизвели процесс образования космического льда, осаждая водяной пар на холодную поверхность. Также был создан более плотный вид аморфного льда, измельчая лед при экстремально низких температурах. Затем оба образца нагрели, чтобы проверить формирование кристаллов. Выяснилось, что лед сохраняет память о предыдущей структуре, и при нагревании различия в поведении образцов подтвердили наличие кристаллических участков в аморфной массе.
Эксперименты, проведённые на Земле, показали, что лед в космосе может содержать мельчайшие кристаллы. Это открытие важно не только для понимания свойств воды в космосе, но и для изучения аморфных материалов.
«Лед на Земле представляет собой космологическую аномалию вследствие сравнительно высоких температур. Его упорядоченность проявляется, например, в симметрии снежинок. Ранее лед во Вселенной считался «замороженным» в неупорядоченном состоянии. Полученные результаты демонстрируют обратное. — заявляет физико-химик Кристоф Зальцманн из Университетского колледжа Лондона.
Исследование задает новые вопросы о свойствах аморфных материалов, применяемых в современных технологиях. Например, оптические волокна, передающие данные на большие расстояния, должны сохранять свою аморфную структуру. Наличие скрытых кристаллов может быть устранено для повышения производительности таких систем.
Исследование представлено в журнале Physical Review B.