Лед 9 или другой из более 20 видов, удивительная история льда

  Обычный лед, который вы найдете в кубиках льда, называемый льдом Ih, или “лед один”. Технически, он является минералом, поскольку он неорганический и имеет регулярную кристаллическую структуру. В частности, его молекулы выстраиваются в решетку из крошечных шестиугольников. Шестикратную симметрию, которая в конечном итоге лежит в основе формы снежинок. Практически весь лед на Земле – это […]

Обычный лед, который вы найдете в кубиках льда, называемый льдом Ih, или “лед один”. Технически, он является минералом, поскольку он неорганический и имеет регулярную кристаллическую структуру.

В частности, его молекулы выстраиваются в решетку из крошечных шестиугольников. Шестикратную симметрию, которая в конечном итоге лежит в основе формы снежинок.

Практически весь лед на Земле – это лед Ih, и это тоже хорошо! Его просторные шестиугольники делают его менее плотным, чем жидкая вода. Поэтому он плавает на поверхности воды и фактически изолирует хрупких водных существ внизу. Защищая их от ветра и холода. Без льда Ih жизнь, какой мы ее знаем, не существовала бы.

 

В 1963 году писатель-фантаст Курт Воннегут использовал в своем романе “Колыбель для кошки” вымышленную концепцию льда-IX. Кристаллического полиморфа льда, который остается стабильным при комнатной температуре. Лед-девять был формой воды, настолько стабильной, что он никогда не таял и кристаллизовал всю воду, к которой прикасался. Это была Эбола воды…

На самом деле, Ice-IX существует. Он был открыт в 1968 году и существует под высоким давлением в виде тетрагональной кристаллической решетки. Но, к счастью, без свойств льда-девять Воннегута.

 

Экзотические льды

 

Но говорить о льде и упоминать только лед Ih – это то же самое, что говорить о шоколаде и упоминать только Сникерс. Экзотические льды, конечно, по-прежнему состоят из H2O, но отдельные молекулы вырываются из шестиугольной смирительной рубашки и перетасовываются.

 

Множество твердых веществ могут претерпевать подобную перестройку. Если вы когда-либо открывали древнюю шоколадку и находили внутри обертки желтовато-коричневую и меловую плитку, вы видели, как шоколад делает именно это.

Во время этого “шоколадного поседения” молекулы какао сжимаются, увеличивая плотность шоколада и выталкивая жир на поверхность. Но немногие твердые вещества могут образовывать столько различных “фаз”, как лед.

Первооткрывателем различных типов льда был Перси Уильямс Бриджмен. Нобелевский лауреат по физике 1946 года. В 1912 году он открыл и описал 5-6 видов льда.

Им были созданы первые экзотические льды, лед II и лед III. Теперь список распространяется до льда XV, открытого в 2009 году.

Создание этих льдов – это больше, чем академическое упражнение. Молекулы льда удерживаются вместе теми же водородными связями, которые, среди прочего, удерживают вместе нити ДНК. Поэтому образование новых льдов помогает исследовать природу этой связи.

 

Более того, в то время как лед Ih доминирует в биосфере, другие льды существуют в природе. Лед, структурно похожий на алмазы, лед Ic, вероятно, существует в верхних слоях атмосферы.

Плотные, горячие недра Нептуна и Урана, вероятно, содержат куски негексагональных льдов, как и экзопланеты вокруг далеких звезд.

 

Космический лед

 

Ученые создают различные фазы льда, подвергая крошечный образец чудовищно высокому давлению, в миллионы раз превышающему атмосферное давление. И при таком высоком давлении лед может оставаться твердым при температурах в тысячи градусов.

Если бы вы могли каким-то образом бросить кусок этого льда в стакан с жидкой водой, она бы испарилась. На молекулярном уровне высокое давление деформирует гексагональные связи. Заставляя молекулы H2O принимать форму ромбов, тетрагонов и других альтернативных геометрий.

 

Это действие увеличивает плотность и делает эти льды достаточно тяжелыми, чтобы тонуть в воде. Некоторые химики предсказывают, что при сверхвысоком давлении лед превращается в металл.

Однако во всей Вселенной льды I–XV значительно уступают по численности так называемому аморфному льду. Молекулы которого располагаются хаотично, без какой-либо кристаллической структуры.

Аморфный лед образуется при мгновенном замерзании в глубоком космосе. Микроскопические крупицы этого льда также имеют тенденцию выглядеть аморфными. Поскольку им не хватает молекул, чтобы удерживаться вместе.

Этот переход от аморфного льда к кристаллическому льду давно интриговал ученых. И некоторые из них даже пытались точно определить, сколько молекул необходимо для образования настоящего кристаллического льда.

 

Новое воплощение льда

 

Это может показаться неразрешимым вопросом. Как ответить, в какой момент человек, теряющий волосы один за другим, становится лысым. Но хотите верьте, хотите нет, недавний эксперимент, фактически, дал ответ.

Эксперимент включал медленное добавление молекул H2O к ядру атомов натрия. И исследование того, какие длины волн инфракрасного света они поглощают.

Переход от одного к другому произошел на удивление быстро. Ниже 250 молекул доминировал аморфный пик. Но при 275 молекулах начинал выглядывать более длинноволновой кристал. При 475 молекулах доминировал только этот пик. Таким образом, в зависимости от того, где вы проводите черту, всего 0,00000000000000000000008 грамма воды уже “считается” кристаллическим льдом.

 

Это, конечно, гораздо меньше, чем исчезающие кусочки льда в вашем стакане. Тем не менее, и они скоро исчезнут. Пробьют полночь, и все эти фантазии о горящем льде, льде, который тонет, и металлическом льде испарятся. По крайней мере, до тех пор, пока химики не откроют новое чудесное или ужасное воплощение льда.