Ученые открыли «невозможную» форму воды: что такое пластичный лед?

Вода… Казалось бы, что может быть привычнее? Жидкая, твёрдая, газообразная — три состояния, знакомые каждому с детства. Но, как выясняется, наука ещё далеко не всё знает о, казалось бы, самом изученном веществе на Земле. Учёные приоткрыли завесу тайны над одной из экзотических форм воды — так называемым «пластичным льдом VII». И это открытие, без преувеличения, способно перевернуть наши представления о многих процессах, происходящих как на Земле, так и далеко за её пределами.

Не просто замерзшая вода: загадка пластичного состояния

Что же такое этот «пластичный лёд»? Представьте себе вещество, которое одновременно обладает свойствами и твёрдого тела, и жидкости. Звучит парадоксально, не правда ли? Однако именно так ведёт себя вода при экстремальных условиях — давлениях, в десятки тысяч раз превышающих атмосферное, и температурах в сотни градусов Кельвина.

Ещё полтора десятка лет назад существование этой необычной фазы было лишь теоретическим предсказанием, основанным на компьютерных моделях. И вот, благодаря возможностям Института Лауэ-Ланжевена (ILL), учёным удалось впервые увидеть пластичный лёд VII своими глазами.

«Это как если бы вы заморозили желе, — пытается подобрать аналогию Ливия Элеонора Бове, один из руководителей исследования. — Оно сохраняет форму, но при этом отдельные его части могут двигаться. В случае с пластичным льдом молекулы воды выстраиваются в строгую кристаллическую решётку, как в обычном льду, но при этом продолжают вращаться, словно в жидкости.»

Взгляд вглубь молекулы: нейтроны в помощь

Как же удалось заглянуть внутрь этого удивительного вещества и увидеть, что там происходит? Ключом к разгадке стал метод квазиупругого рассеяния нейтронов (QENS). В отличие от других методов, QENS позволяет одновременно отслеживать и перемещение молекул, и их вращение. Это как если бы мы могли не просто видеть автомобиль на дороге, но и одновременно наблюдать за вращением его колес.

Мария Решиньо, аспирантка, непосредственно работавшая с данными, поясняет: «Мы смогли чётко различить три состояния: когда вода ведёт себя как жидкость и её молекулы свободно перемещаются и вращаются; когда она полностью замерзает и все движения прекращаются; и, наконец, тот самый «пластичный» момент — молекулы зафиксированы в решётке, но продолжают вращаться на месте.»

Сложности эксперимента: на пределе возможностей

Создать условия, при которых вода превращается в пластичный лёд VII, — задача не из лёгких. Речь идёт о давлениях, сравнимых с теми, что царят в глубинах океанов, но многократно усиленных, и о температурах, при которых плавятся многие металлы. Достичь таких экстремальных параметров стало возможным лишь благодаря уникальному оборудованию и многолетнему опыту, накопленному в ILL.

«Мы годами работали над созданием инфраструктуры, позволяющей проводить эксперименты в таких сложных условиях, — говорит Михаэль Марек Коза, один из участников проекта. — И постоянное совершенствование наших приборов, безусловно, сыграло решающую роль.»

Больше вопросов, чем ответов: тайны молекулярного вращения

Но самое интересное, что полученные данные оказались ещё более загадочными, чем предполагалось изначально. Компьютерные модели предсказывали один тип вращения молекул, а реальные измерения показали нечто иное.

«Оказалось, что молекулы воды в пластичном льду VII вращаются не так свободно, как мы ожидали, — рассказывает Мария Решиньо. — Наиболее вероятным оказался механизм так называемого «четырёхкратного вращения», когда молекула совершает повороты, словно перепрыгивая с одной позиции на другую.»

От лаборатории — к планетам: где искать пластичный лёд?

Но зачем вообще изучать столь экзотические состояния воды? Дело в том, что они могут играть ключевую роль в строении и эволюции ледяных небесных тел — спутников планет-гигантов и самих этих планет. Например, Ганимед и Каллисто, спутники Юпитера, или ледяные гиганты Уран и Нептун — все они могут содержать в своих недрах значительные количества пластичного льда. Понимание его свойств поможет разгадать тайны их внутреннего строения, динамики ледяных потоков и, возможно, даже пролить свет на возможность существования подледных океанов.

И кто знает, какие ещё удивительные открытия ждут нас впереди? Ведь, как показывает практика, вода — вещество куда более загадочное и многогранное, чем мы привыкли думать. Возможно, пластичный лёд — это лишь одна из многих экзотических фаз, которые еще предстоит открыть. И каждое такое открытие будет приближать нас к пониманию фундаментальных законов природы.