Японские физики открыли новую фазу воды, существующую при высоком давлении, и подтвердили полиморфизм льда. Оказалось, что новая фаза существует внутри уже известной — до сих пор существование таких структур ставилось под сомнение. Ученые применили к уже известному льду-VI давление от 0,88 до 2,20 гигапаскалей. В итоге этот диапазон разделился пополам: в левой половине образуется уже известный лед-XV, а в правой — ранее неизвестный лед-XIX. Самостоятельность новой фазы подтверждается анализом диэлектрической проницаемости и нейтронной дифракции. Статься опубликована в Nature Communications.
На сегодняшний день известно уже более 20 кристаллических и аморфных модификаций водяного льда. Такое разнообразие возникает благодаря гибкости водородных связей. А возникающее из-за них упорядочение атомов водорода в структуре льда сильно влияет на механические и структурные свойства льда. Например, из-за этого блокируется вращение молекул воды, а также возникают сегнетоэлектрические и антисегнетоэлектрические структуры. Из-за того, что фазовые состояния льда очень близки друг к другу по энергиям, пока остается вопросом, ведет ли беспорядочное расположение атомов водорода к одной упорядоченной фазе или сразу к нескольким. Недавние исследования льда VI под высоким давлением выявили возможное образование ранее неизвестной фазы — льда 𝛽-XV — вариации уже известного льда-XV. Но для окончательного подтверждения самостоятельности новой фазы не хватило экспериментальных данных.
Группе ученых под руководством Ре Яманэ (Ryo Yamane) из Университета Токио удалось подтвердить существование упорядоченной фазы в структуре льда-VI, и как следствие — ранее не подтвержденный полиморфизм льда. Новую фазу назвали льдом-XIX. Для подтверждения ее существования, ученые использовали методы диэлектрической и нейтронной спектроскопии в диапазоне давлений от 0,88 до 2,20 гигапаскалей. Исходные образцы льда-VI получали при комнатной температуре, а его диэлектрические свойства измеряли при температурах от 100 до 150 кельвин в указанном диапазоне давлений. Фазовые переходы из льда-VI в другие упорядоченные состояния наблюдались при температурах от 120 до 130 кельвин. Это сопровождалось сильным падением диэлектрического сигнала, что свидетельствует о появлении новой фазы. Новая линия фазовой диаграммы, отвечающая за фазовый переход между уже известным льдом-VI и новым льдом-XIX находится на уровне 1,5-1,6 гигапаскалей. Причем слева от этой линии, то есть в области более низкого давления происходит уже известный переход из льда-VI в лед-XV. Он сопровождается увеличением объема. А справа от этой линии — в области более высокого давления — происходит переход в ранее неизвестную фазу. Этот переход сопровождается уменьшением объема.
Чтобы подтвердить самостоятельность новой фазы и ее отличие от уже известного льда-XV, помимо изменения объема и резкого падения диэлектрического отклика, авторы использовали методы нейтронной дифракции в диапазоне давления от 1,6 до 2,2 гигапаскалей и при температурах от 80 до 150 кельвинов. Переход из исходного льда-VI в новый лед-XIX выражается в появлении новых сигналов за счет понижения симметрии кристалла. При этом в случае льда-XV, часть этих сигналов не выявляется. Это означает, что в области от 1,6 до 2,2 гигапаскалей действительно образуется ранее неизвестная самостоятельная фаза.
Открытие и описание новых фаз льда — это очень важная область исследования твердых тел. Открытия в этой области помогают понять не только свойства воды в определённых условиях, но и свойства нашей и других планет, возможно содержащих воду. Более того, некоторые типы кристаллов льда могут обладать очень необычными свойствами. Например, японские физики
кристалл с пониженной плотностью и пористой структурой.
Егор Длин