Различные формы льда были обнаружены во многих местах в холодных уголках нашей галактики, от межзвездных облаков до комет, лун и планет. Но особенно интригующий и редкий тип «сегнетоэлектрического» льда — лед, кристаллизованный настолько идеально, что может выдерживать гигантское электрическое поле, — никогда не обнаруживался астрономами.
Однако недавнее исследование показало, что сегнетоэлектрический лед, также известный как лед XI, вероятно, действительно существует. Проведенное группой ученых из США и Японии исследование выявило очень узкий диапазон температур, при котором «обычный» лед может трансформироваться в лед XI в природе. Исследование возглавил Хироши Фукадзава, ученый из Японского агентства по атомной энергии.
Обычный лед, из которого состоит весь естественный снег и лед на Земле, известен ученым как «лед Ih», где буква «h» означает шестиугольник, форму молекулярного кристалла. Во льду Ih связи между атомами водорода и кислорода ориентированы случайным образом, в результате чего кристалл выглядит довольно беспорядочно. Однако при очень низких температурах связи начинают выстраиваться и указывать в одном направлении; высокое давление усиливает этот эффект упорядочения. В результате крошечные электрические поля, естественным образом переносимые каждой молекулой воды, складываются в одно большое поле.
«Существует ли сегнетоэлектрический лед в стабильной форме при низких температурах — это вопрос, который давно интересовал исследователей», — сказал PhysOrg.com Хайме Фернандес-Бака, один из ученых, участвовавших в исследовании . Фернандес-Бака — старший научный сотрудник Окриджской национальной лаборатории (ORNL) в Теннесси. «Было высказано предположение, например, что огромные спонтанные электрические поля, которые может генерировать этот тип льда, могут играть важную роль в формировании планет».
Фуказава добавил: «Сегнетоэлектрический лед также может играть важную роль в химической эволюции, включая формирование пребиотических органических материалов во Вселенной».
Группа хотела узнать больше об условиях, необходимых для образования сегнетоэлектрического льда. Они создали образец льда, который содержал тщательно отмеренное количество примесного соединения, которое слегка изменяет кристалл и, таким образом, способствует процессу преобразования льда XI. В высокопоточном изотопном реакторе ORNL лед постепенно охлаждался по мере бомбардировки нейтронами. В этом методе, называемом дифракцией нейтронов, нейтроны входят в образец, рассеиваются от его атомов и, когда они покидают образец, регистрируются детектором в виде картины рассеяния. Анализ рисунка дает ценную информацию о расположении атомов в образце.
С помощью этого метода группа «увидела», что лед XI формировался в течение нескольких сотен часов, а его структура оставалась стабильной в узком диапазоне температур 57-66К. «Это диапазон температур на поверхностях внешних планетных тел Солнечной системы — Урана, Нептуна и Плутона, их спутников и колец, а также колец и некоторых спутников Сатурна», — сказал Фернандес-Бака.
«Без добавления примесного соединения нормальному льду потребовалось бы 10 000 лет, чтобы превратиться в лед XI», — добавил он. «Хотя эта временная шкала намного длиннее, чем можно измерить в лаборатории, она не слишком велика в астрономической шкале времени».
