Atrodytų, kad apie vandenį žmonija jau žino viską. Tai kasdien sutinkama, paprasta medžiaga, tačiau jos prigimtis slepia daugiau paslapčių, nei galima įsivaizduoti. Naujausi moksliniai tyrimai atskleidė, kad net mums pažįstamomis sąlygomis gali egzistuoti visiškai naujos materijos formos.
Tarptautinė mokslininkų grupė, vadovaujama Korėjos standartų ir mokslo instituto, aptiko naują ledo rūšį, pavadintą „ledu XXI“, kuri susidaro kambario temperatūroje, tai reiškinys, prieštaraujantis mūsų įprastam supratimui apie fizikinius dėsnius. Šis atradimas tapo tikru lūžiu vandens tyrimų istorijoje.
Iki šiol mokslininkai buvo identifikavę daugiau nei dvidešimt ledo kristalinių struktūrų, tačiau nė viena iš jų nebuvo panaši į naujai rastą formą. „Ledo XXI“ unikalumas slypi tame, kad jis išlieka stabilus net esant sąlygoms, kuriose turėtų egzistuoti visiškai kitokios ledo formos. Tai tarsi pusiausvyros būsena tarp chaoso ir tvarkos, kai gamta laikinai leidžia egzistuoti netipiškai struktūrai.
Laikinai stabilios struktūros paslaptis
„Ledo XXI“ struktūra yra tik laikinai stabili (metastabili), tai reiškia, kad ji gali išlikti tam tikrą laiką, nors termodinamiškai egzistuoti neturėtų. Ši ledo forma susiformuoja esant milžiniškam slėgiui, tai apie du gigapaskalius, tai yra maždaug dvidešimt tūkstančių kartų didesniam nei atmosferos slėgis.
Tokiose sąlygose vanduo tampa vadinamuoju „“ „super suspaustu skysčiu“, kuris nepradeda kristalizuotis taip, kaip įprasta. Atrasti šią būseną mokslininkams pavyko tik pasitelkus pažangiausią įrangą.
Naudotos deimantinės slėgio kameros ir itin greiti rentgeno spindulių impulsai, leidžiantys užfiksuoti kristalizacijos eigą mikrosekundžių tikslumu. Tokiu būdu tyrėjai iš Europos „“ „XFEL“ ir „PETRA III“ centrų galėjo stebėti, kaip vanduo pereina iš vienos struktūros į kitą daugiau nei tūkstantį kartų per sekundę.
Stebėjimai parodė bent penkias skirtingas kristalizacijos ir tirpimo grandines, tarp jų ir metastabilų „“ledą VII“ bei stabilų „ledą VI“. Šie procesai patvirtino Ostvaldo laipsniškumo taisyklę, teigiančią, kad medžiagos dažnai pirmiausia formuoja nestabilias būsenas, prieš pereidamos į galutinę stabilią formą.
Ką reiškia šis atradimas?
„Ledo XXI“ kristalinė struktūra yra itin sudėtinga, tai joje yra net 152 vandens molekulės viename elementariame kristalų tinkle. Dėl to jo tankis siekia 1,413 gramo kubiniame centimetre, kai įprasto ledo tankis yra tik 0,917 gramo.
Tokia tvarka ir molekulių išsidėstymas leidžia manyti, kad gali egzistuoti ir daugiau aukšta temperatūrinių metastabilių ledo formų. Šis atradimas ne tik praplečia mūsų supratimą apie vandens prigimtį, bet ir turi reikšmę planetologijai.
Pavyzdžiui, tokios ledo struktūros gali egzistuoti Saturno ir Jupiterio palydovuose, tai Titane ar Ganimede, kuriuose slėgio ir temperatūros sąlygos yra panašios. Tai padeda geriau suprasti šių pasaulių vidinę sandarą ir evoliuciją.
Žemėje šie tyrimai atveria naujas galimybes kurti tikslius molekulinius vandens modelius ir naujus funkcinius medžiagų tipus. Tai dar kartą primena, kad net kasdienybėje mus lydinti vandens molekulė vis dar slepia daugybę neatskleistų paslapčių, laukiančių savo atradimo.
