Химики получили устойчивую при атмосферном давлении форму аморфного льда

Вода образует около 20 разных кристаллических модификаций, при этом на поверхности Земли за редким исключением можно встретить только одну — кристаллический лед Ih. Еще две модификации — лед Iс и лед XI — тоже устойчивы при атмосферном давлении, но для их образования нужна низкая температура. А другие модификации льда устойчивы только при повышенном давлении.

Кроме кристаллических модификаций, лед образует и несколько аморфных модификаций, в структуре которых молекулы воды разупорядочены. Обычно аморфные льды делят на два семейства — аморфные льды высокой плотности и аморфные льды низкой плотности. У льдов первого семейства плотность имеет значения около 0,94 грамма на кубический сантиметр, а у второго — около 1,13. При этом аморфных модификаций льда, у которых значение плотности лежало бы между этими двумя отметками, — не было известно до сих пор.

Лед со значением плотности в 1,06 ± 0,06 грамма на кубический сантиметр обнаружили химики под руководством Кристофа Зальцмана (‪Christoph G. Salzmann) из Университетского колледжа Лондона. Они выяснили, что несмотря на то что измельчение в шаровой мельнице — распространенный способ получать аморфные формы веществ — его никто еще не применял для получения аморфных модификаций льда. Поэтому химики решили взять лед Ih, охладить его до температуры жидкого азота и измельчить в шаровой мельнице.

Ученые провели измельчение и изучили полученный образец с помощью малоугловой рентгеновской дифрактометрии. На дифрактограмме химики наблюдали широкий пик с двумя максимумами при значениях модуля вектора рассеяния в 1,93 и 3,04 обратных ангстрема — они соответствовали новой аморфной форме льда. Также ученые попробовали измельчить льды II, IX, и V — но новых форм льда из них получить не удалось.

Далее химики попробовали нагреть образец новой формы аморфного льда, чтобы понять, будет ли он переходить обратно в лед Ih. Оказалось, что при 150 кельвинах аморфный лед начинает кристаллизоваться с образованием структурного разупорядоченного льда Isd, который при более высокой температуре переходит в лед Ih. Причем удельное количество теплоты, которая выделялась при кристаллизации, оказывалось больше, когда измельчение в мельнице проводили более тщательно. Этот эффект химики связали с тем, что при недостаточно долгом измельчении в образце оставались кристаллы кристаллического льда Ih.

Также ученые исследовали, что происходит со льдом при повышении давления (при постоянной температуре в 77 кельвин). Они выяснили, что до значений давления в 1 гигапаскаль аморфный лед средней плотности остается устойчивым, но при значении в 1,1 гигапаскаля начинает переходить в аморфный лед высокой плотности.