| | 22 июля 2017 | Нoвoсти нaуки и тexники
Учeным удaлoсь сoздaть «сaмыe квaдрaтныe» кристaллы льдa
Кристaллы льдa, о которых пойдет речь ниже, вы никогда не сможете получить в морозильной камере вашего холодильника. Потому что речь идет не об идеальной кубической форме кусочков льда, а об их идеальной кубической кристаллической решетке, состоящей из молекул воды. Такие кристаллики «идеального кубического» льда встречаются только в облаках на большой высоте, а на Земле их получить весьма и весьма тяжело даже в лабораторных условиях.
Практически весь лед, формирующийся в естественных условиях, из которого состоит также и снег, имеет кристаллическую решетку с шестиугольной симметрией. И лишь кристаллизация воды при строго заданных условиях может сформировать кубическую кристаллическую решетку. А изучение чистого «кубического» льда может дать ученым массу данных для улучшения существующих математических моделей взаимодействия высотных облаков с солнечным светом, с атмосферой и влияния всего этого на климатические изменения.
Ученые уже достаточно давно пытаются получить «кубический» лед в лабораторных условиях. Однако, такой лед является нестабильным и максимум чего удавалось получить, так это гибридные кристаллы льда, на 70 процентов состоящие из кубической формы и на 30 процентов — из шестиугольной.
Исследователи из университета Огайо при помощи некоторых уловок получили кристаллы льда, состоящие из кубической формы уже на 80 процентов, что является своеобразным рекордом. Для этого ученые выбрасывали в объем камеры из двух форсунок азот и водяной пар под высоким давлением. Когда эти газы расширялись, они охлаждались и водяной пар конденсировался в капельки, в сто тысяч раз меньшие, чем обычная дождевая капля. При этом, капельки жидкой воды существовали очень короткое время при температуре -48 градусов Цельсия, после чего они замораживались и превращались в лед в течение миллионной доли секунды.
Для измерения «кубатуры» получившихся ледяных кристаллов исследователи использовали дифракцию рентгеновского излучения, вырабатываемого источником Linac Coherent Light Source (LCLS) Национальной лаборатории линейных ускорителей SLAC. Геометрические размеры получившихся дифракционных колец и их амплитуда указали на то, что минимум 80 процентов льда в анализируемом образце имеет кубическую форму кристаллической решетки.
В настоящее время ученым еще неизвестны процессы и явления молекулярного масштаба, благодаря которым вода при переохлаждении и быстром замораживании формирует кубические кристаллы.
«Этот вид процесса кристаллизации настолько сложен и быстр, что мы нуждаемся в самом современном дополнительном оборудовании для того, чтобы только начать видеть, что происходит внутри воды» — рассказывает Клодиу Стэн (Claudiu Stan), научный сотрудник института PULSE лаборатории SLAC, — «Вполне вероятно, что в будущем у нас появится необходимое оборудование и нам удастся создать и подтвердить экспериментально математические модели, описывающие процессы формирования необычных кристаллов льда».
