Лед в наших морозильных камерах обычно имеет одну форму: его молекулы воды расположены шестиугольно - вот почему снежинки всегда имеют шесть точек. Но в природе существует до 20 различных вариаций льда, в зависимости от окружающего давления и температуры. Например, тип льда под названием лед VII был обнаружен в ловушке внутри алмазов, извлеченных из мантии Земли. Ученые также предполагают, что в глубине ледяных планет существует загадочная фаза, известная как лед X.
Создание этих экзотических фаз в лаборатории - задача не из легких, но в последние несколько десятилетий ученые всего мира не оставляют попыток. Одна исследовательская группа из Университета Невады в Лас-Вегасе якобы наблюдала недавно открытую фазу под названием лед VIIt, а также неуловимый лед X. Лед X выделяется из толпы благодаря уникальным связям между молекулами воды. По словам ученых, лед X образовался при давлении в 300 000 раз выше атмосферного - чрезвычайно высоком для нас, но рекордно низком для существования этого необычного льда.
"Мы были очень взволнованы и удивлены", - говорит ведущий автор и физик Закари Гранде. "Многие люди не верили в это". После первого обнаружения команда потратила три года на подтверждение своего результата. Исследователи опубликовали свою работу на прошлой неделе в журнале Physical Review B.
Однако другие эксперты скептически относятся к тому, действительно ли результаты указывают на лед X.
"Работа подтвердила предыдущие сообщения об аномальных переходах во льду VII под давлением", - пишет в электронном письме Рассел Хемли, физический химик из Иллинойского университета в Чикаго, который не принимал участия в исследовании. Однако он считает, что для подтверждения образования льда X с помощью новых исследований необходимо больше доказательств.
Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Каждая молекула воды сильно притягивается к своему соседу. Это межмолекулярное притяжение может по-разному распределять частицы воды и влиять на то, как каждый водород располагается между двумя атомами кислорода. Эта конформация атомов диктует фазу льда.
Метко названный лед X является, пожалуй, самой экстремальной из всех фаз. Это единственная фаза, в которой каждый водород располагается точно посередине между двумя оксигенами на протяжении всей кристаллической решетки. В других фазах льда, таких как лед VII и лед VIIt, водород произвольно примыкает к одному из фланговых оксигенов.
Определить появление льда X так же сложно, как ходить по тонкому льду. Его признаком является положение гидрогенов по отношению к оксигенам. Но водород, будучи самым легким атомом в периодической таблице, почти невидим. Большинство экспериментальных методов позволяют сделать вывод о местонахождении водорода путем исследования водородно-кислородной связи воды, а не непосредственного наблюдения за атомами водорода.
Гранде и его коллеги утверждают, что им удалось обнаружить лед X при самом низком давлении, определив его присутствие по колебаниям атомов кислорода. Исследователи размельчили лед между двумя алмазами и периодически нагревали твердое тело лазером по методу, который они называют "готовь и смотри". Лазер расплавил беспорядочные кристаллы, позволив льду перекристаллизоваться в другую атомную конфигурацию.
При давлении 5 гигапаскалей, в 50 000 раз превышающем атмосферное, команда обнаружила новую промежуточную фазу, которую назвали лед VIIt, в которой атомы были расположены иначе, чем в льду VII. Дальнейшее сжатие льда VIIt до 30 гигапаскалей снова изменило его структуру. Измерив энергии колебаний атомов водорода и кислорода, исследователи пришли к выводу, что к вечеринке присоединился лед X. Они также заметили, что связь между водородом и кислородом стала более жесткой, что является еще одной возможной характеристикой льда X.
Александр Гончаров, физик из Научного института Карнеги, не принимавший участия в исследовании, не согласен с тем, что исследователи придумали лед Х. Он говорит, что проводил подобные измерения в прошлом и не смог найти доказательств существования льда Х при таких низких давлениях. Ранее его команда продемонстрировала, что лед Х появляется только при давлении около 60 гигапаскалей.
Данные о колебательной энергии не являются "дымящимся пистолетом" для льда X и склонны к неправильной интерпретации, добавляет Гончаров. По его словам, наиболее "пуленепробиваемым доказательством" существования льда X являются рентгеновские или нейтронные дифракционные измерения, которые позволяют выявить кристаллическую структуру твердого тела. Однако эти методы сложны в исполнении и могут потребовать от ученых вмешательства в сам лед, чтобы сделать атомы водорода видимыми.
Новые заявления об обнаружении льда X столь же часты, сколь и сомнительны, говорит Гончаров. На сегодняшний день, по его словам, ни одно исследование, включая его собственную работу, не доказало неопровержимо факт обнаружения льда X с момента его первого предполагаемого обнаружения в 1980-х годах.
Но никто в этой области не сомневается в существовании льда X. "Конечно, он существует", - говорит Гончаров. "Физические модели настолько ясны, что истина говорит сама за себя". Он сравнивает теорию льда X с предсказаниями Альберта Эйнштейна об относительности - в то время другие ученые верили в них, но только спустя годы новые поколения ученых провели эксперименты, которые подтвердили его гипотезы. Подобно астрофизикам, нашедшим доказательства идей Эйнштейна о черных дырах, гравитационных волнах и пространственном времени, будущим экспериментаторам льда X предстоит убедить остальных своих коллег и доказать правоту теории.