Разработан новый метод съемки, который дает возможность наблюдать за формированием льда в обычных условиях. Благодаря этому ученые впервые получили возможность изучить процесс замерзания воды с молекулярным разрешением.
Несмотря на то, что изучение льда является давней задачей для человечества, непосредственное наблюдение за молекулами воды в процессе замерзания до сих пор оставалось невозможным. Это связано с тем, что методы визуализации отдельных атомов, как правило требуют воздействия высоких энергий и вакуума, а это мешает льду сформироваться из воды.
Ранее ученые уже получали изображения, демонстрирующие молекулярную структуру льда, однако эти изображения относились к неправильному льду, образовавшемуся непосредственно из пара. В процессе формирования такого льда вода не подвергалась обычному циклу замерзания и оттаивания, характерному для земных условий, который включает жидкую фазу.
Международная группа ученых разработала метод наблюдения за процессом размораживания воды в жидком состоянии с использованием молекулярного разрешения. Исследование показало, что неожиданная гибкость и способность к деформации льда позволяют ему сохранять целостность при перемещении и трансформации пузырьков газа внутри его структуры. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.
Для изучения образца, состоящего из жидкой воды, заключенной между тонкими углеродными мембранами, ученые разработали инновационный метод – криогенную просвечивающую электронную микроскопию жидкой ячейки.
Защитные мембраны предохранили кристаллы льда от воздействия высокого вакуума и излучения. Это позволило физикам детально изучить процесс образования и перемещения пузырьков газа внутри кристаллической структуры, сливаются с другими пузырями и растворяются во льду.
При преобразовании жидкой воды в твердый лед, дефекты кристаллической решетки или пузырьки газа, оказавшиеся внутри, не приводят к существенным изменениям в структуре кристалла, способным вызвать его разрушение. Лед адаптируется к наличию дефектов гораздо легче, чем другие твердые вещества.
«Наши исследования показали, что растворенный газ не просто формирует пустоты в кристаллах льда, но и перемещается, объединяется с другими газовыми включениями и растворяется – проявляет такую динамику, которая возможна лишь благодаря уникальным свойствам связей внутри ледяной структуры. Эта работа открывает принципиально новые перспективы для изучения процессов кристаллизации и таяния льда в масштабах, недоступных ранее», — отметил Джеймс Де Йорео ( James De Yoreo), главный исследователь работы.
На основе экспериментальных данных ученые получили подтверждение, используя разработанную с применением машинного обучения высокоточную модель молекулярной динамики. Теория и практика сошлись в том, что лед — уникальное твердое тело в плане толерантности к дефектам. Другие кристаллы не могли бы выдержать столько напряжений и включений без ущерба для целостности кристаллической структуры.
По мнению исследователей, их разработка позволит поддерживать состояние глубоко замороженных биологических материалов, предсказывать образование наледи на самолетах и расширит знания о перемещении ледников.