Ученые из Китая применили метод просвечивающей электронной спектроскопии с высоким разрешением для того, чтобы в режиме реального времени проследить кристаллизацию водяного пара при низких температурах. Они впервые смогли получить фазу, которая почти полностью состояла из кубического льда. Исследование опубликовано в Nature.
Лед встречается повсюду. Благодаря льду поддерживается уровень Мирового океана, ледники влияют на перемещение воздушных масс, покрывающий водоемы лед не дает замерзнуть зимующим рыбам. Иными словами, лед играет большую роль в экологии и в сохранении живых организмов. Многие физические свойства льда определяются его структурой — кристаллической решеткой. Кристаллизация воды при нормальном атмосферном давлении дает обычный и самый распространенный гексагональный лед (Ih), в котором три элементарных ячейки (самые маленькие ячейки, которые задают структуру всей решетке, подобно шестиугольнику в пчелиной соте) образуют правильную шестигранную призму. При очень низких температурах (от -120 до -140 °C), водяной пар кристаллизуется в кубической форме льда (Ic), где элементарная ячейка, соответственно, имеет форму куба.
Среди ученых долгое время ходили споры, может ли вода кристаллизоваться в кубический лед без примесей, поскольку экспериментально было тяжело обнаружить чистофазный Ic вместо неупорядоченной смеси кубического и гексагонального льда. Дифракционные методы не позволили обнаружить кубический лед. В этом исследовании ученые использовали криогенную просвечивающую электронную спектроскопию (ПЭМ). Они пропустили через образец осажденного водяного пара на графите пучок электронов, чтобы пронаблюдать за образованием кристаллов в реальном времени.
В результате ученые выяснили, что полученный лед был чистофазным. В основном он состоял из льда Ic, а лед Ih составлял лишь небольшой процент. Ученые исследовали зарождение кубического льда на границе двух фаз при температуре около -171 °С. Кроме этого, они установили дефекты упаковки кубического льда, тем самым смоделировали динамику эволюции льда Ic.
Таким образом, ученые показали, что вода действительно может кристаллизоваться в кубический лед. Это достижение внесет большой вклад в развитие физики льда. Понимание принципов образования льда в различных условиях позволяет применить эти знания на практике в материаловедении, геологии и климатологии.
Автор: Нелли Чивилева.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
