Предлагаемый лед, который исследователи описывают в исследовании от 12 февраля 2016 года в журнале Science Advances, будет примерно на 25 процентов менее плотным, чем форма с рекордно низким содержанием, синтезированная европейской командой в 2014 году.Если бы лед можно было синтезировать, он стал бы 18-й известной кристаллической формой воды — и первой, обнаруженной в Соединенных Штатах со времен до Второй мировой войны.
«Мы провели много расчетов (сосредоточились на том), является ли это лед не только с низкой плотностью, но, возможно, с самой низкой плотностью на сегодняшний день», — сказал Сяо Ченг Цзэн, профессор химии Университета Америтас, соавтор исследования. . «Многие люди заинтересованы в предсказании новой структуры льда, выходящей за рамки современного уровня техники».Это новейшее открытие представляет собой последнее из длинного ряда связанных со льдом исследований Цзэна, который ранее обнаружил двумерный «лед Небраски», который сжимается, а не расширяется при замораживании при определенных условиях.В новейшем исследовании Цзэна, которое проводилось совместно с Цзицзюнь Чжао из Даляньского технологического университета, использовался вычислительный алгоритм и молекулярное моделирование для определения диапазонов экстремального давления и температуры, при которых вода замерзнет до предсказанной конфигурации.
Эта конфигурация принимает форму клатрата — по сути, ряда молекул воды, которые образуют взаимосвязанную структуру, подобную клетке.Долгое время считалось, что эти клетки могут сохранять свою структурную целостность только тогда, когда содержат в себе «гостевые молекулы», такие как метан, который заполняет множество природных клатратов, обнаруженных на дне океана и в вечной мерзлоте.
Однако, как и европейская команда до них, Цзэн и его коллеги подсчитали, что их клатрат сохранит стабильность даже после того, как его гостевые молекулы будут вытеснены.На самом деле синтез клатрата потребует некоторых усилий. Основываясь на расчетах команды, новый лед образуется только тогда, когда молекулы воды помещаются в замкнутое пространство, которое подвергается сверхвысокому давлению, расширяющемуся наружу.
Насколько? При температуре минус 10 градусов по Фаренгейту корпус должен быть окружен давлением расширения, примерно в четыре раза большим, чем то, что находится в самой глубокой траншее в Тихом океане. При минус-460 это давление должно быть еще больше — примерно такое же, какое испытывает человек, управляющий 300 гигантскими реактивными самолетами на уровне моря.Затем молекулы гостя должны быть извлечены с помощью процесса вакуумирования, впервые разработанного европейской командой, которая, по словам Цзэна, вдохновила его собственную группу на проведение нового исследования.
Тем не менее, Цзэн сказал, что чудеса обычного льда — того типа, который покрыл Землю миллиарды лет — также мотивировали его исследования.«Вода и лед всегда интересны, потому что они так важны для людей и жизни», — сказал Цзэн. «Если подумать, низкая плотность естественного льда защищает воду под ним; если бы он был плотнее, вода замерзла бы снизу вверх, и ни один живой вид не смог бы выжить. Так что комбинация матери-природы просто идеальна».
В случае подтверждения новая форма льда будет называться «Лед XVII», причуда наименования, возникшая в результате того, что ученые назвали первые две идентифицированные формы «Лед I».Цзэн и Чжао стали соавторами исследования Science Advances с докторантом UNL Чунцинем Чжу; Иньин Хуанг, приглашенный научный сотрудник Даляньского технологического университета; и исследователи из Китайской академии наук и Китайского университета науки и технологий.
Исследование команды частично финансировалось Национальным научным фондом и проводилось при содействии Голландского вычислительного центра UNL.