Международная группа ученых установила новый рекорд по созданию кристаллов льда, которые имеют почти идеальное кубическое расположение молекул воды — форму льда, которая может существовать в самых холодных высотных облаках, но ее чрезвычайно трудно создать на Земле.По словам Барбары Вислоузил, руководителя проекта и профессора химической и биомолекулярной инженерии в штате Огайо, способность создавать и изучать кубический лед в лаборатории может улучшить компьютерные модели взаимодействия облаков с солнечным светом и атмосферой — два ключа к пониманию изменения климата.
Университет.Это также может улучшить наше понимание воды — одной из самых важных молекул для жизни на нашей планете.По словам Вислоузила, под микроскопом обычный водяной лед — от замороженных водоемов до снега и льда, который мы делаем дома, — состоит из кристаллов с гексагональной симметрией.
Но лишь с небольшим изменением расположения молекул воды во льду кристаллы могут принять кубическую форму.До сих пор исследователи использовали присутствие холодных кубических ледяных облаков высоко над поверхностью Земли, чтобы объяснить интересные гало, наблюдаемые вокруг Солнца, а также присутствие треугольных кристаллов льда в атмосфере. Ученые десятилетиями пытались создать кубический лед в лаборатории, но, поскольку кубическая форма нестабильна, самое близкое, что удалось сделать, — это создать гибридные кристаллы, которые составляют примерно 70 процентов кубических и 30 процентов гексагональных.
В статье, опубликованной в Journal of Physical Chemistry Letters, Wyslouzil, научный сотрудник Эндрю Амайя и их сотрудники описывают, как им удалось создать капли замороженной воды, которые были почти на 80 процентов кубическими.«Хотя 80 процентов могут показаться не совсем идеальными, большинство исследователей больше не верят, что 100-процентный чистый кубический лед достижим в лаборатории или на природе», — сказала она. «Итак, вопрос в том, как мы можем сделать его кубическим с помощью современных технологий? Предыдущие эксперименты и компьютерное моделирование наблюдали, что лед имеет примерно 75 процентов кубического размера, но мы превзошли его».
Чтобы сделать лед высокой кубической формы, исследователи втягивали азот и водяной пар через сопла на сверхзвуковой скорости. Когда газ расширился, он охладился и образовал капли в сто тысяч раз меньше средней капли дождя.
Эти капли были сильно переохлаждены, что означало, что они были жидкими, намного ниже обычной температуры замерзания, составляющей 32 градуса по Фаренгейту (0 градусов по Цельсию). Фактически, капли оставались жидкими примерно до -55 градусов по Фаренгейту (около -48 градусов по Цельсию), а затем замерзали примерно за одну миллионную секунды.Чтобы измерить кубичность льда, образовавшегося в сопле, исследователи выполнили эксперименты по дифракции рентгеновских лучей на Линакном источнике когерентного света (LCLS) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Менло-Парке, Калифорния.
Там они ударяют по каплям с помощью высокоинтенсивного рентгеновского лазера от LCLS и записывают дифракционную картину на рентгеновскую камеру. Они увидели концентрические кольца с длинами волн и интенсивностью, что указывало на то, что кристаллы были примерно на 80 процентов кубическими.По словам Вислоузила, чрезвычайно низкие температуры и быстрое замерзание имели решающее значение для образования кубического льда: «Поскольку жидкие капли воды в высотных облаках, как правило, переохлаждены, существует хороший шанс для образования кубического льда».
В настоящее время неизвестно, почему именно кристаллы удалось получить с кубичностью около 80%. Но, опять же, неизвестно, как именно вода замерзает на молекулярном уровне.
«Когда вода замерзает медленно, мы можем представить себе лед, состоящий из молекул воды так же, как вы строите кирпичную стену, один кирпич поверх другого», — сказал Клаудиу Стэн, научный сотрудник Стэнфордского института PULSE и партнер SLAC. в проекте. "Но замерзание в высотных облаках происходит слишком быстро, чтобы это могло иметь место — вместо этого можно подумать, что замерзание начинается с неупорядоченной груды кирпичей, которая поспешно перестраивается, образуя кирпичную стену, возможно, содержащую дефекты или необычную Процесс изготовления кристаллов настолько быстр и сложен, что нам нужно сложное оборудование, чтобы увидеть, что происходит. Наши исследования мотивированы идеей, что в будущем мы сможем разработать эксперименты, которые позволят нам видеть кристаллы как они образуются ".