Vědci vytvořili led bez nutnosti chlazení
Na první pohled se může zdát, že led je vyřešený problém – zmrzlá voda a nic víc. Ovšem v laboratořích vysokého tlaku na European XFEL v Německu dokázal mezinárodní tým vědců něco neobvyklého: vytvořil led při pokojové teplotě bez potřeby jeho ochlazení. Toho dosáhli „pouze“ stlačením vody mezi dvěma diamanty.
Výsledkem byl led XXI, jednadvacátá známá forma tohoto zdánlivě jednoduchého, ale překvapivě složitého materiálu. Tento objev, publikovaný v časopise Nature Materials, rozšiřuje naše chápání toho, jak může led vznikat. Klíčovým faktorem nebyla teplota, ale extrémní tlak, který dosáhl přibližně dvou gigapascalů, tedy asi 20 000krát vyššího než normální atmosférický tlak.
Extrémní tlak mezi diamanty
Aby vědci vytvořili tuto novou fázi, použili diamantovou anvilovou cellu, zařízení, které funguje jako mikroskopický lis schopný generovat tlaky srovnatelné s těmi, které se nacházejí v hlubinách planet a měsíců. Voda byla umístěna mezi dvěma diamanty, které díky své mimořádné tvrdosti dokázaly stlačit kapalinu na extrémní úrovně.
Proces sestával z aplikace tlakových pulzů trvajících několik milisekund následovaných krátkými intervaly uvolnění po dobu jedné sekundy, s tímto postupem opakovaným více než tisíckrát, aby se pozorovalo, jak voda reaguje.
Fascinující je, že i při pokojové teplotě se molekuly vody krátce shromáždily do nové krystalové struktury, která byla kompaktnější než běžný led.
Laser s rentgenovými paprsky zachycuje transformaci
Aby tým zachytil tyto rychlé změny, obrátil se na European XFEL v Německu, největší laser na rentgenové paprsky na světě, který funguje jako vysokorychlostní kamera schopná pořizovat snímky každou mikrosekundu. To umožnilo zaznamenat tvorbu krystalové struktury v reálném čase pomocí ultrarychlých rentgenových pulsů.
“Rychlá komprese vody jí umožňuje zůstat v kapalném stavu i při vyšších tlacích, kde by se normálně měla krystalizovat do ledu VI”, vysvětlil ve zprávě Geun Woo Lee, výzkumník z Korejského institutu pro výzkum standardů a vědy (KRISS), který vedl výzkum.
Skrytá cesta k ledu VI
Led VI je další exotická fáze, o které se domnívá, že existuje uvnitř ledových měsíců, jako jsou Titan a Ganymedes. Zajímavé je, že led XXI se zdá být mezistupněm na této cestě, „dočasnou odbočkou“, kterou Lee a jeho kolegové metaforicky popisují jako “skrytou cestu”.
Tato meta-stabilní fáze existuje pouze několik desítek mikrosekund, než se transformuje do ledu VI. Následné experimenty ve zdroji fotonů Petra III potvrdily, že led XXI má tetragonální krystalovou strukturu složenou z bloků 152 molekul vody, což je nová dispozice mezi známými fázemi ledu.
Důsledky pro ledové měsíce
Přestože led XXI existuje v laboratoři pouze na okamžik, jeho objev může mít význam pro pochopení procesů, které probíhají na různých místech sluneční soustavy. Na vzdálených měsících, kde se tlaky a teploty extrémně mění, by tyto efemérní fáze mohly pomoci objasnit vnitřní dynamiku těchto ledových světů, od pohybu jejich podzemních oceánů až po způsob, jakým se napětí rozděluje v jejich kůrách.
“Naše zjištění naznačují, že by mohlo existovat více meta-stabilních fází ledu při vysokých teplotách a jejich souvisejících přechodových cest, což by mohlo poskytnout nové poznatky o složení ledových měsíců”, uvedla Rachel Husband, fyzička týmu Desy Hibef.
Samozřejmě, tento objev nabízí nový pohled na fázové přechody vody, každodenního materiálu, jehož chování je mnohem neobvyklejší, než se zdá. “Existuje mnoho otázek, jak tak jednoduchý materiál může dát vzniknout tolika různým krystalovým fázím”, zamyslel se Lee. “Vědci chtějí pochopit podrobné procesy krystalizace vody do ledu.”
