Большая часть воды во Вселенной существует в форме, которая редко встречается на Земле. Новое исследование, сочетающее компьютерное моделирование и эксперименты, показало, что замерзшая в космической тьме вода ведет себя не так, как предполагали ученые.
Ранее считалось, что лед в космосе является аморфным — его молекулы расположены хаотично, без четкой структуры. Однако теперь выяснилось, что в нем могут присутствовать нанокристаллы — упорядоченные участки размером всего несколько нанометров, встроенные в общую аморфную массу. Это открытие стало неожиданностью, поскольку ученые полагали, что в холодных условиях космоса у молекул льда недостаточно энергии для формирования кристаллов.
«Теперь у нас есть хорошее представление о том, как выглядит самая распространенная форма льда во Вселенной на атомном уровне«, — говорит физик Майкл Бенедикт Дэвис из Университетского колледжа Лондона и Кембриджского университета. «Это важно, поскольку лед участвует во многих космологических процессах, таких как формирование планет, эволюция галактик и перемещение материи в космосе«.
Вода — вещество с уникальными свойствами, и ученые уже обнаружили более 20 различных фаз льда, образующихся в разных условиях. На Земле лед имеет кристаллическую структуру, где молекулы упорядочены в решетку. В космосе же, как считалось, он должен быть аморфным, то есть неупорядоченным. Однако некоторые исследования указывали на возможное наличие кристаллических участков даже в аморфном льде.
Чтобы проверить эту гипотезу, команда ученых провела компьютерное моделирование, имитирующее замерзание воды при температуре около –120 °C с разной скоростью. Результаты показали, что наиболее точное соответствие экспериментальным данным дает структура, состоящая примерно на 20% из кристаллического льда и на 80% из аморфного.
В лабораторных условиях исследователи воссоздали процесс образования космического льда, осаждая водяной пар на холодную поверхность. Они также создали более плотную форму аморфного льда, измельчая лед при экстремально низких температурах. Затем оба образца нагревали, чтобы проверить, начнут ли формироваться кристаллы. Оказалось, что лед «помнит» свою предыдущую структуру, и при нагревании различия в поведении образцов подтвердили наличие кристаллических участков в аморфной массе.
Хотя эксперименты проводились на Земле, их результаты свидетельствуют о том, что лед в космосе тоже может содержать крошечные кристаллы. Это открытие важно не только для понимания свойств воды в космическом пространстве, но и для изучения аморфных материалов в целом.
«Лед на Земле — это космологическая аномалия из-за наших относительно высоких температур. Его упорядоченность видна, например, в симметрии снежинок. А лед в остальной Вселенной долгое время считался „замороженным“ в неупорядоченном состоянии. Наши результаты показывают, что это не совсем так«, — говорит физико-химик Кристоф Зальцманн из Университетского колледжа Лондона.
Исследование также ставит новые вопросы о природе аморфных материалов, которые широко используются в современных технологиях. Например, оптические волокна, передающие данные на большие расстояния, должны оставаться аморфными. Если в них есть скрытые кристаллы, их устранение может улучшить производительность таких систем.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review B.