Wprowadzanie defektów pozwala otrzymać egzotyczne rodzaje lodu

WIęKSZOść CIAł STAłYCH zawdzięcza swoją zwartość regularnemu, kratownicowemu ułożeniu cząsteczek i atomów. Jednakże w lodzie wodnym, który spada jako śnieg lub pokrywa szyby okienne w mroźne poranki, tylko atomy tlenu są uporządkowane – dwa atomy wodoru w cząsteczce H2O mogą być zorientowane dowolnie.

Lód, w których atomy wodoru są ułożone w idealnym porządku, przypuszczalnie istnieje gdzie indziej we Wszechświecie, na przykład w warunkach wysokiego ciśnienia panującego

we wnętrzach gazowych olbrzymów i lodowych księżyców. Badanie tych egzotycznych odmian lodu w laboratorium nastręcza spore trudności, ponieważ proces ich powstawania przebiega niezwykle powoli. Niemniej eksperymentując z tzw. lodem XIV, autorzy pracy opublikowanej ostatnio w czasopiśmie „PNAS Nexus” odkryli triki pozwalające tworzyć uporządkowane rodzaje lodu do 100 razy szybciej niż do tej pory – w ciągu dni, a nie lat.

„Wyniki są całkiem jednoznaczne i bardzo, ale to bardzo pomocne – mówi fizyk fazy skondensowanej Leonardo del Rosso z Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-IFAC) we Florencji, który również zajmuje się badaniem uporządkowanego lodu. – Ta strategia została zastosowana do lodu XIV, lecz można ją rozszerzyć na inne typy lodu – mam nadzieję”.

Lód XIV tworzy się w niskich temperaturach i ekstremalnych ciśnieniach, około 10 razy wyższych niż ciśnienie panujące na dnie Rowu Mariańskiego na Oceanie Spokojnym, a jego cząsteczki

tworzą podwójne helisy podobne do DNA. Co jeszcze dziwniejsze, lodowiec złożony z lodu XIV bądź jakiejkolwiek innej uporządkowanej postaci lodu nie płynąłby, lecz rozpadał na kawałki. Główna autorka pracy Christina Tonauer, chemiczka fizyczna, która przeprowadziła te eksperymenty jako studentka Universität Innsbruck w Austrii, mówi, że była w stanie wyczuć tę różnicę w fakturze, gdy ręcznie szlifowała próbki.

Uporządkowany lód tworzy się powoli nawet w odpowiednich warunkach, ponieważ atomy wodoru ulegają zablokowaniu i nie mogą się względem siebie przesuwać. Ta geometryczna blokada jest jeszcze silniejsza w przypadku lodu z ciężkiej wody, której atomy wodoru składają zarówno z neutronu, jak i protonu – co stanowi problem dla badaczy, którzy eksperymentują z ciężkim lodem, aby wyznaczyć precyzyjne struktury kryształów lodu.

Naukowcy poradzili sobie z tym problemem poprzez „domieszkowanie” lodu niewielkimi ilościami innych substancji chemicznych w celu wytworzenia luk w sieci krystalicznej. Defekty te dają atomom wodoru większą swobodę przy układaniu się w uporządkowane struktury. W przypadku ciężkiego lodu zespół wykazał, że wprowadzenie pewnej ilości zwykłej wody może znacznie zwiększyć stopień uporządkowania, „To naprawdę innowacyjna strategia” – mówi krystalograf Kazuki Komatsu z Uniwersytetu w Tokio.

Posłużenie się nową metodą pozwoliło zespołowi Tonauer szybko wytwarzać ciężki lód XIV, który dzięki tej szybkości był około trzy razy bardziej uporządkowany niż poprzednio. Otrzymywanie tak czystych próbek, zwłaszcza z ciężkiej wody, może ułatwić odkrywanie zupełnie nowych rodzajów lodu i rozpoznawanie ich we Wszechświecie.

„Wcześniej nie udawało nam się osiągnąć tak wysoce uporządkowanego stanu – mówi Tonauer. – Teraz uzyskujemy go w laboratorium zaledwie w ciągu jednego dnia”.