Космический лед совсем не похож на земной, обнаружили ученые
Водяной лед повсеместно распространен в космосе — от ледяных лун до покрытой инеем пыли в межзвездных облаках. Однако устроен он вовсе не так, как мы думали.
На Земле относительно высокие температуры образования льда. Они дают молекулам воды достаточно энергии для формирования упорядоченной кристаллической структуры, подобной симметрии снежинок. В космосе, как известно, куда холоднее — и считалось, что водяной лед не может кристаллизоваться в таких условиях. Предполагалось, что космический лед полностью аморфный, то есть ему не свойственна кристаллическая структура и упорядоченное расположение молекул.
Когда струи водяного пара из спутника Сатурна Энцелада выбрасываются в космос, этот пар замерзает и выпадает в виде снега обратно на поверхность ледяной луны. Согласно прежним теориям, эти снежинки не обладали бы сложной структурой, подобной земным снежинкам. Оказалось, что это не совсем так — по крайней мере, частично. Сравнение компьютерных моделей замерзания аморфного льда с рентгеновской дифракцией реальной замерзшей воды показало, что в некоторых случаях до четверти его могут составлять кристаллы.
«Теперь у нас есть хорошее представление о том, как выглядит самая распространенная форма льда во Вселенной на атомном уровне. Это важно, потому что лед участвует во многих космологических процессах, например, в формировании планет, эволюции галактик и перемещении материи во Вселенной», — пояснил физик Майкл Б. Дэвис из Университетского колледжа Лондона, который входит также в группу изучения льда на кафедре химии Кембриджского университета.
Низкоплотный аморфный лед был открыт в 1930-х годах при конденсации водяного пара на металлическую пластину, охлажденную до −110 °C. В 1980-х ученые обнаружили, что возможен и высокоплотный аморфный лед, который образуется в результате сжатия льда при −200 °C. А в 2023 году команда Дэвиса впервые создала аморфный лед средней плотности. Он отличается любопытным свойством: его плотность совпадает с плотностью жидкой воды, поэтому он не плавает и не тонет.
Однако во Вселенной чаще встречается низкоплотный аморфный лед, и именно его ученые использовали в своих экспериментах, результаты которых приведены в журнале Physical Review B.
Сначала они провели два разных моделирования. В первом виртуальные кубики льда создавались путем охлаждения воды до −120 °C с разной скоростью. Во втором моделировании ученые начали с крупных кубов льда, где молекулы были упакованы с равными промежутками, а затем случайным образом нарушили их порядок.
Первая серия симуляций показала, что лед не был полностью аморфным — до 20% его структуры составляют кристаллы размером всего 3 нанометра, встроенные в беспорядочные промежутки аморфного льда. Второе моделирование дало еще больший процент кристаллов — до 25%.
Но это всего лишь моделирование. Как оно соотносится с реальностью? Пропуская рентгеновские лучи через полученный разными способами лед и наблюдая за тем, как эти они отклоняются молекулами воды, исследователи обнаружили, что реальная структура аморфного льда совпадает с результатами моделирования.
Для подтверждения результатов ученые перекристаллизовали созданный ими аморфный лед и обнаружили, что кристаллическая структура льда отличается в зависимости от того, как изначально образовался лед. Полностью аморфный лед без какого-либо порядка не должен сохранять память о своей прежней форме — если только в нем не осталось кристаллической структуры.
«Лед потенциально может быть высокоэффективным материалом в космосе. Он может защищать космические корабли от радиации или служить топливом в виде водорода и кислорода. Поэтому нам нужно знать о его различных формах и свойствах», — уверен Дэвис.
Эти открытия также могут повлиять на поиск истоков жизни, особенно на понимание того, как строительные блоки жизни попали на Землю. Некоторые органические компоненты, необходимые для жизни, предположительно, были занесены сюда на ледяных частицах пыли. Новые данные не опровергают эту теорию, но сужают возможные варианты.
«Это связано с тем, что частично кристаллическая структура оставляет меньше места для внедрения этих компонентов. Однако теория все еще может быть верной, поскольку в аморфных областях льда строительные блоки жизни могут сохраняться», — заключил ученый.