Космический лёд оказался менее похож на воду, чем считалось
Новое исследование учёных из UCL и Кембриджского университета показало, что «космический лёд» содержит крошечные кристаллы и не является полностью неупорядоченным материалом, как жидкая вода, что предполагалось ранее.
Лёд в космосе отличается от кристаллической (высокоупорядоченной) формы льда на Земле. Десятилетия учёные полагали, что он аморфный (не имеет структуры), так как при экстремально низких температурах у него недостаточно энергии для образования кристаллов при замерзании.
В новом исследовании, опубликованном в Physical Review B, изучался самый распространённый во Вселенной лёд — аморфный лёд низкой плотности. Он составляет основу вещества комет, ледяных спутников и пылевых облаков, где формируются звёзды и планеты.
Ключевые выводы:
- Компьютерное моделирование показало, что наилучшее соответствие данным предыдущих экспериментов даёт модель льда, который не полностью аморфен, а содержит встроенные в неупорядоченную структуру крошечные кристаллы (шириной около 3 нм, чуть шире одинарной нити ДНК).
- Эксперименты по рекристаллизации (нагреванию) реальных образцов аморфного льда, полученных разными способами, показали, что итоговая кристаллическая структура зависит от происхождения аморфного льда. Если бы лёд был полностью аморфным (полностью неупорядоченным), он не сохранял бы «памяти» о своей первоначальной форме.
Значение исследования:
- Космология: Даёт лучшее представление об атомной структуре самого распространённого льда во Вселенной, что важно для понимания процессов формирования планет, эволюции галактик и перемещения материи.
- Теория панспермии: Ставит под сомнение эффективность аморфного льда низкой плотности как «транспортного материала» для «кирпичиков жизни» (например, простых аминокислот). Частично кристаллическая структура оставляет меньше пространства для их захвата, хотя аморфные области всё ещё могут их удерживать.
- Материаловедение: Поднимает вопросы о природе аморфных материалов в целом, которые используются в высоких технологиях (например, в оптоволокне). Обнаружение и возможное удаление в них микрокристаллов может улучшить их характеристики.
Методология:
- Моделирование: Использовались две компьютерные модели воды, которые «замораживали» до -120 °C с разной скоростью. Лёд, содержащий до 20% кристаллической фазы, лучше всего соответствовал данным рентгеноструктурного анализа реального аморфного льда низкой плотности.
- Эксперименты: Образцы аморфного льда низкой плотности создавались разными способами (например, осаждением пара на сверххолодную поверхность или нагревом аморфного льда высокой плотности). Последующая рекристаллизация выявила различия в структуре, зависящие от происхождения образца, что косвенно подтвердило наличие кристаллических включений.
Исследование открывает новые вопросы о природе аморфных льдов, например, о возможности существования полностью аморфного льда.