Naukowcy po raz pierwszy w historii zaobserwowali fazę lodu powstającą w temperaturze pokojowej, jeśli tylko zgniecie się wodę do ekstremalnych ciśnień. Nowa odmiana, nazwana lodem XXI, została zidentyfikowana podczas eksperymentów z użyciem najsilniejszego na świecie lasera rentgenowskiego European XFEL. Brzmi jak magia? To czysta fizyka pod bardzo dużym naciskiem.
Jak „zamrozić” wodę bez chłodzenia
Zamiast obniżać temperaturę, badacze wcisnęli kroplę wody między diamentowe końcówki w tzw. diamentowej komorze kowadłowej i w ciągu 10 milisekund podnieśli ciśnienie do ok. 2 gigapaskali – to mniej więcej 20 000 razy więcej niż ciśnienie atmosferyczne przy poziomie morza. Następnie ciśnienie rozluźniano w czasie około sekundy i cały cykl powtarzano ponad tysiąc razy, a struktura kryształu była śledzona ultrakrótkimi impulsami rentgenowskimi. Dzięki temu uchwycono momenty „przeskoków” między stanami materii. Nie próbuj tego w domowej zamrażarce – chyba że trzymasz w kuchni dwie kopalnie diamentów.
Czym właściwie jest lód XXI
Lód XXI to tetragonalna sieć krystaliczna o nietypowo dużej komórce elementarnej – aż 152 cząsteczki H₂O w powtarzalnej jednostce. Tego układu nie obserwowano w żadnej z dotąd znanych ~20 faz lodu. Kluczowe: to stan metastabilny – może istnieć przez pewien czas, choć w tych warunkach termodynamicznie „wygodniejszy” byłby inny lód.
Autostrady krystalizacji w temperaturze pokojowej
Największa niespodzianka? Badacze pokazali, że w pobliżu zakresu stabilności lodu VI w temperaturze pokojowej woda może wybierać wiele ścieżek krystalizacji. Jedną z nich jest właśnie przejście przez fazę lodu XXI. Te szybkie „rozdroża” między stanami były wcześniej ukryte – dopiero połączenie dynamicznej kompresji (dDAC) i błyskawicznych zdjęć struktury wiązką XFEL pozwoliło je zobaczyć w czasie rzeczywistym.
Po co nam „ciepły lód”
To nie jest wyłącznie ciekawostka do podręczników. Warunki podobne do tych w komorze diamentowej panują głęboko we wnętrzach lodowych planet i księżyców. Jeśli lód XXI (i inne, jeszcze nieopisane fazy) pojawia się tam na szlakach przemian materii, może wpływać na transport ciepła, przewodnictwo, a nawet na cyrkulację oceanów pod powierzchniami takich światów. Innymi słowy: nowe fazy lodu to brakujące klocki w modelach budowy i ewolucji planet.
Co dalej
Odkrycie lodu XXI to dopiero początek. Zespół podkreśla, że szybkie sprężanie i rozprężanie wody odsłania kolejne, wciąż nieopisane etapy pośrednie – a więc prawdopodobnie czeka nas katalog nowych „gatunków” lodu. Każdy z nich to test dla teorii wiązań wodorowych i zachowania wody w ekstremach, a zarazem kopalnia danych dla astrofizyków i planetologów.