Метастабильная вода превратилась в лед-VII

Физики изучили фазовый переход жидкой воды при высоких давлениях и обнаружили, что в диапазоне 1,5-2,1 гигапаскаля сначала образуется лед-VII, а только потом лед-VI. Ученые объяснили это схожестью метастабильной воды и льда-VII, из-за чего энергия их фазового перехода оказалась ниже по сравнению со льдом-VI. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Если на графике по горизонтальной оси отложить температуру, по вертикальной — давление, а на самой плоскости отметить различные состояния воды (жидкость, пар, лед), тогда мы получим то, что физики называют фазовой диаграммой. При этом на сегодняшний день известно о 19 кристаллических модификациях (фазовых состояниях) водяного льда, а лед-VII занимает значительную часть на фазовой диаграмме, и физики активно изучают его свойства.

Чтобы получить лед-VII в лабораторных условиях, ученые используют лазерные импульсы, магнитное поле и ударные волны в газовой среде. Однако практически все существующие сегодня исследования игнорируют микроскопическую диагностику в процессе замерзания воды и превращения ее в лед-VII.

Шарль Пепен (Charles Pépin) и его коллеги из Франции и Швейцарии использовали рентгеновскую дифракцию и исследовали на микроуровне процесс затвердевания метастабильной воды при динамическом сжатии.

Для получения льда-VII физики использовали алмазную наковальню с рабочей камерой диаметром 100 микрометров. Временной диапазон нарастания давления в экспериментах составил от 0,1 до 20 миллисекунд, а высокая теплопроводность алмазов обеспечила изотермический процесс сжатия воды. Для наблюдения микроструктуры ученые использовали рентгеновскую дифракцию и дополнили ее измерением спектров люминесценции вещества и оптической микроскопией. Контроль давления исследователи осуществили несколькими способами: наблюдением люминесценции сжатой воды, а также рентгеновской дифракцией небольших частичек олова и меди, которые экспериментаторы поместили в воду. К пьезоэлементу алмазной наковальни физики применили трехступенчатую функцию: сначала давление нарастало медленно, затем происходил резкий линейный рост, а в конце выход на плато.

В результате эксперимента ученые заметили, что при выдерживании давления 1,8 гигапаскаля в течение нескольких минут картина дифракции соответствовала смеси льда-VI и льда-VII. Хотя диапазон 1,5-2,1 гигапаскаля соответствует льду-VI, в нем из метастабильной воды сначала появился лед-VII и лишь спустя несколько сотен микросекунд возник непосредственно лед-VI. Физики связали странное поведение фазовых состояний воды с тем фактом, что на уровне локальной структуры лед-VII и метастабильная вода гораздо больше похожи друг на друга, что и обеспечило низкую энергию их фазового перехода по сравнению со льдом-VI. Также авторы исследования заметили, что сам лед-VII стабилизировался только при давлениях выше 1,8 гигапаскаля, а ниже этой границы он достаточно быстро переходил в смесь аморфного льда и льда-VI.

Ученые отметили, что их работа по изучению микроскопической структуры воды во время ее превращения в лед-VII поможет разрешить множество давних споров, связанных с переходами на фазовой диаграмме воды. А рентгеновская дифрактометрия оказалась мощным методом исследования, когда динамическое сжатие заставляет лед менять свою кристаллическую структуру.

О том, как классическая теория объяснила расхождения экспериментов по образованию льда-VII, мы писали ранее.