Учёные открыли лёд XXI — неизвестную ранее кристаллическую форму водяного льда

Первыми в мире ученые из Корейского научно-исследовательского института стандартов и науки (KRISS) обнаружили 21-ю фазу кристаллического льда, названную Ice XXI, возникшую при давлении свыше 2 ГПа и комнатной температуре. Открытие позволяет глубже изучить процессы кристаллизации, что открывает дорогу к созданию невиданных раньше на Земле материалов и позволяет понять процессы в недрах ледяных планет, таких как спутники Сатурна и Юпитера.

Открытие стало возможным благодаря наблюдению процессов многократного замерзания и таяния воды в масштабе микросекунд, что позволило выявить ранее неизвестные пути кристаллизации. Ранее было известно 20 фаз кристаллического льда и две его аморфные фазы, зависящие от температуры и давления. Наиболее сложная для изучения зона фазовых переходов лежит в диапазоне от 0 до 2 ГПа, где плотно друг за другом следуют более десяти различных фаз. Исследователи из Южной Кореи смогли явно обнаружить новую кристаллическую фазу водяного льда на верхней границе этого диапазона — в условиях комнатной температуры на уровне давления 2 ГПа (20 тыс. атмосфер).

Для эксперимента группа KRISS разработала и применила динамическую алмазную наковальню (dDAC), которая позволила сжимать образцы равномерно по всему объёму с достаточно высокой скоростью — в масштабе миллисекунд. Обычные алмазные наковальни развивали давление в течение нескольких секунд и делали это неравномерно по отношению к образцам, что часто вызывало очаги преждевременной кристаллизации (возникал градиент прикладываемого давления).

Определение «динамическая» наковальня KRISS получила благодаря установке на неё пьезоэлектрических датчиков. Благодаря им появилась возможность в реальном масштабе времени следить за создаваемым давлением и поведением образца. В качестве образца выступала обычная вода.

В лабораторных условиях при комнатной температуре и давлении 2 ГПа учёные смогли добиться создания кристаллического льда в фазе VI. После этого в дело был пущен Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (European XFEL). С его помощью исследователи на масштабе времени в диапазоне микросекунд смогли наблюдать новые пути кристаллизации льда, включая неизвестную ранее форму Ice XXI. Отметим, формально одним из ведущих акционеров European XFEL остаётся Россия, которая оплатила проект на 27 % его стоимости. Однако с 2022 года для учёных из РФ работа в проектах European XFEL приостановлена.

Лёд XXI обладает уникальной структурой с большой и сложной элементарной кристаллической ячейкой в форме плоской равносторонней коробки, что сделало её самой удивительной кристаллической формой льда из всех ранее обнаруженных. И это также новое слово в планетологии и материаловедении, что ещё предстоит осознать.