Na prvý pohľad sa ľad zdá byť niečím samozrejmým: je to jednoducho zamrznutá voda a nič viac. V laboratóriách vysokého tlaku European XFEL však medzinárodná skupina výskumníkov dosiahla neobvyklý výsledok: vyrobili ľad pri izbovej teplote.
Výskumníci nemuseli vodu chladit, „len“ ju stlačili medzi dvoma diamantmi. Výsledkom bol ľad XXI, dvadsiata prvá známa forma tohto zdanlivo jednoduchého, ale prekvapivo zložitého materiálu.
V tomto prípade nebol kľúčovým faktorom teplota, ale extrémny tlak, ktorý dosiahol približne dva gigapascaly, čo je 20 000-násobok normálneho atmosférického tlaku
Bez chladu?
Na vytvorenie tejto novej fázy vedci použili diamantové kovadlinu, zariadenie, ktoré funguje ako mikroskopický lis schopný vytvárať tlak ekvivalentný tlaku existujúcemu v hlbinách planét a mesiacov.
Voda bola umiestnená medzi dva diamanty, ktoré vďaka svojej mimoriadnej tvrdosti dokázali stlačiť tekutinu na neobvyklé úrovne.
Postup spočíval v aplikovaní tlakových impulzov s dĺžkou niekoľkých milisekúnd, po ktorých nasledovali krátke intervaly uvoľnenia s dĺžkou jednej sekundy, a tento proces sa opakoval viac ako tisíc krát, aby sa pozorovala reakcia vody.
Prekvapujúce je, že napriek izbovej teplote sa molekuly vody na krátku dobu spojili do novej kryštálovej štruktúry, ktorá bola kompaktnejšia ako bežný ľad.
Aby zaznamenali tieto rýchle zmeny, tím sa obrátil na European XFEL, najväčší röntgenový laser na svete, ktorý funguje ako vysokorýchlostná kamera schopná robiť snímky každú mikrosekundu.
To umožnilo zaznamenať formovanie kryštalickej štruktúry v reálnom čase pomocou ultrarýchlych impulzov röntgenového žiarenia.
„Rýchle stlačenie vody jej umožňuje zostať v tekutom stave pri vyšších tlakoch, pri ktorých by sa už mala kryštalizovať na ľad VI,“ — vysvetlil Gun Woo Lee, výskumník z Kórejského inštitútu pre normy a vedu (KRISS), ktorý výskum viedol.
Ľad VI
Ľad VI — ďalšia exotická fáza, o ktorej sa predpokladá, že existuje vo vnútri ľadových satelitov, ako sú Titan a Ganymedes. Zaujímavé je, že ľad XXI je zrejme prechodnou fázou na tejto ceste, dočasnou „odchýlkou“, ktorú Li a jeho kolegovia metaforicky opisujú ako „skrytú cestu“.
Táto metastabilná fáza existuje len niekoľko desiatok mikrosekúnd, než sa premení na ľad VI.
Následné experimenty na fotónovom zdroji PETRA III potvrdili, že ľad XXI má tetragonálnu kryštálovú štruktúru pozostávajúcu z blokov 152 molekúl vody, čo je bezprecedentné usporiadanie medzi známymi fázami ľadu.
Hoci ľad XXI existuje v laboratóriu len okamih, jeho objav môže mať význam pre pochopenie procesov, ktoré prebiehajú v rôznych častiach slnečnej sústavy.
Na vzdialených mesiacoch, kde sa tlak a teplota menia v extrémnej miere, môžu tieto efemérne fázy pomôcť pochopiť vnútornú dynamiku týchto ľadových svetov, od pohybu ich podzemných oceánov až po rozloženie napätí v ich kôre.
„Naše objavy naznačujú, že môže existovať väčší počet metastabilných fáz ľadu pri vysokej teplote a s nimi súvisiacich prechodov, čo môže priniesť nové poznatky o zložení ľadových mesiacov,“ uviedla Rachel Hasband, fyzička z tímu DESY HIBEF.
V konečnom dôsledku tento objav ponúka nový pohľad na fázové prechody vody, tejto bežnej látky, ktorej správanie je oveľa nezvyčajnejšie, než sa zdá.
„Existuje mnoho otázok o tom, ako taký jednoduchý materiál môže vytvárať toľko rôznych kryštalických fáz,“ uvažuje Lee, ako cituje ZME Science. „Výskumníci chcú pochopiť podrobné procesy kryštalizácie vody na ľad.“
