Скрытая от классических методов 21-я форма сверхплотного льда уточняет условия зарождения внеземной жизни

Корейский институт стандартов и науки (KRISS) совместно с международным коллективом физиков выявили новую, 21-ю кристаллическую фазу льда, названную Ice XXI, которая формируется при комнатной температуре в условиях экстремальных давлений. Исследование проведено на основании непосредственного наблюдения кристаллизации воды при давлениях, многократно превосходящих обычные показатели.

При нормальном атмосферном давлении вода превращается в лёд при 0 ^°C, однако при значительном повышении давления замёрзание может наступать и при комнатных температурах. Так, уже при превышении порога в 0,96 ГПа при ~25 ^°C регистрируется фаза Ice VI. На протяжении последнего столетия учёные описали двадцать различных кристаллических модификаций льда, образующихся при сочетаниях температур в диапазоне более чем 2000 К и давлений свыше 100 ГПа. Особенно богата на фазы область от атмосферного давления до 2 ГПа, где насчитывается свыше десяти разновидностей льда.

Группа космической метрологии KRISS сформировала сверхсжатую водную среду — жидкость при комнатной температуре под давлением, вдвое превышающим известный рубеж кристаллизации — при помощи собственной динамической алмазной наковальни (dDAC). Два алмаза, управляемые пьезоэлектрическими приводами, последовательно сжимают микрокаплю воды, обеспечивая точное управление и мониторинг стремительных изменений давления.

Главным преимуществом разработанной dDAC по сравнению с традиционными алмазными наковальнями стала минимизация механических ударов и сокращение времени сжатия с десятков секунд до порядка 10 мс. Это существенно уменьшает вероятность преждевременного зарождения кристаллов и позволяет довести жидкость до условий, необходимых для формирования Ice VI и ещё более плотных фаз льда, не запуская кристаллизацию преждевременно.

Сочетая dDAC с рентгеновским лазером на свободных электронах European XFEL, исследователи достигли микросекундного временного разрешения, что дало возможность в реальном времени проследить процесс кристаллизации. Оказалось, что при комнатной температуре существуют несколько сложных путей перехода сверхсжатой воды в твёрдое состояние, включая образование ранее неизвестной фазы Ice XXI.

Учёные не только зафиксировали Ice XXI как транзитную фазу в этих процессах, но и установили её детальную кристаллическую структуру. Новая форма льда, образующаяся при ~25 ^°C, характеризуется объёмной, но уплощённой прямоугольной элементарной ячейкой, два ребра основания которой равны по длине, что отличает её от известных ранее высокодавленных модификаций.

В проекте участвовали 33 учёных из Кореи, Германии, Японии, США и Великобритании. Соавтор исследования доктор Ли Юн-Хи подчеркнула: «Плотность Ice XXI сопоставима с плотностью ледяных слоёв внутри спутников Юпитера и Сатурна. Это открытие может оказаться ключом к пониманию зарождения жизни в экстремальных условиях космоса». Руководитель группы доктор Ли Гын У отметил, что симбиоз технологии dDAC и XFEL позволил уловить мимолётные моменты, недоступные классическим инструментам, и выразил уверенность, что дальнейшие исследования в условиях сверхвысоких давлений откроют новые горизонты науки.

Полученные данные дают уникальные экспериментальные свидетельства поведения воды и её кристаллизации при давлении, сравнимом с глубинными слоями ледяных лун и недр планет. Открытие Ice XXI и выявление её путей образования уточняют фазовую диаграмму воды, совершенствуют модели внеземных океанов и расширяют арсенал методов для изучения материи в экстремальных условиях, что послужит надёжной базой для будущих исследований.

Источник: iXBT