Казалось бы, о воде уже всё известно. Исследователи изучают её свойства веками.
Но сегодня учёные из Национальной лаборатории Тихоокеанского северо-запада Министерства энергетики США (Pacific Northwest National Laboratory) сообщают о новом открытии. Оказывается, лёд, который формируется в идеально гексагональной решётке, удивительно гибкий и податливый. Это объясняет, почему в льду так часто образуются пузырьки газа.
Результаты получены благодаря первому в истории наблюдению за наноразмерными образцами льда, замороженного из жидкой воды, которые были опубликованы в журнале Nature Communications.
«Мы наблюдали, как растворённый газ не только создаёт полости в кристаллах льда, но и перемещается, сливается с другими пузырьками газа и растворяется. Такое поведение возможно только благодаря необычной природе связей в льду», — сказал Джеймс Де Йорео, главный исследователь работы и научный сотрудник Battelle в PNNL.
«Эта работа открывает совершенно новые возможности для изучения кристаллизации и поведения плавления льда в масштабах, о которых ещё несколько лет назад нельзя было и подумать», — добавил он.
Исследование может иметь серьёзные последствия для:
* сохранения глубоко замороженных (криогенных) образцов биологических тканей;
* прогнозирования поведения льда для обеспечения безопасности авиации и транспортных средств;
* понимания движения ледников и других областей исследований.
«Было много загадок, связанных со льдом, — сказал учёный-материаловед PNNL Цзиншань Ду, ведущий автор работы. — Мы хотим понять, как лёд выдерживает структурные несовершенства в кристалле и как захваченные пузырьки влияют на механические свойства кристалла. Теперь у нас есть способ это понять».
До сих пор никому не удавалось напрямую наблюдать, как молекулы воды переходят из жидкого состояния в твёрдое. Это связано с тем, что методы, которые учёные используют для наблюдения за отдельными атомами, включают жёсткие условия, в том числе использование высокоэнергетического излучения и удаление воздуха (вакуумная герметизация).
Чтобы избежать этих проблем, исследовательская группа поместила жидкую воду между тонкими углеродными мембранами, что стало решающим фактором, который привёл к прорыву в визуализации. Затем они разработали новую технику — криогенную жидкостную просвечивающую электронную микроскопию, чтобы отслеживать процесс замораживания.
«Мембраны защищают кристаллы льда от высокого вакуума и излучения, позволяя нам получать изображения с информацией на атомном уровне», — сказал Ду.
Они наблюдали, как пузырьки газа формируются, перемещаются по решётке, сливаются с другими пузырьками и растворяются.
Результаты исследования показали, что, когда жидкая вода превращается в твёрдый лёд, дефекты в его кристаллической структуре или захваченные пузырьки газа не вызывают сильного напряжения в кристалле льда, которое могло бы привести к его разрушению. Лёд адаптируется к присутствию дефекта с удивительной лёгкостью по сравнению с другими твёрдыми телами, такими как металл или минералы.
Природа химических связей воды делает её необычайно гибкой и податливой, даже в твёрдом состоянии. Это новое наблюдение в сочетании с тем фактом, что лёд менее плотный, чем жидкая вода, — свойства, которые поддерживают жизнь на Земле, особенно в море.
Исследователи также провели прямые наблюдения за геометриями и силами, которые определяют формирование кристаллов льда во всех масштабах, включая образование снежинок. Хотя снег образуется из водяного пара, а не из жидкой воды, в основе лежат те же силы.
Чтобы подтвердить свои экспериментальные наблюдения, учёные из PNNL сотрудничали с исследователями из Аргоннской национальной лаборатории и Университета Иллинойса в Чикаго, которые использовали машинное обучение для разработки высокоточной модели молекулярной динамики для льда. Сравнения между экспериментом и тем, что было предсказано теоретическими моделями, подтвердили, что лёд уникален среди твёрдых тел своей устойчивостью к дефектам без ущерба для целостности кристаллической структуры льда.
Пока команда PNNL изучает динамику льда на наноуровне, другие исследователи обнаруживают, что наличие пузырьков воздуха в ледниках сильно влияет на их поведение. Недавно учёные показали, что ледники тают более чем в два раза быстрее, если в них есть пузырьки, по сравнению со льдом без пузырьков. Другие учёные пытаются избежать образования льда в деликатных образцах тканей или на самолётах в полёте.
Дальнейшие шаги в этом исследовании включают изучение таяния и работу с более сложными образцами, включая воду с растворёнными веществами.
Предоставлено Национальной лабораторией Тихоокеанского северо-запада.