Гибкий лед: создана новая форма кристаллической воды

Водяной лед в природе – жесткий и хрупкий, склонный скорее ломаться, чем прогибаться. Но группе исследователей из Чжэцзянского университета в Китае удалось вырастить микроволокна водяного льда, которые могут изгибаться в петлю.

Лед не всегда ведет себя так, как мы ожидаем, и его эластичность, точнее, ее отсутствие — прекрасный тому пример. Теоретически максимальная упругая деформация льда должна составлять около 15%. Реально — менее 0,3%. Причина такого несоответствия в том, что кристаллы льда всегда имеют структурные дефекты, которые увеличивают их хрупкость.

Китайские исследователи попытались создать лед с минимальным количеством структурных дефектов. Их эксперимент подробно описан в статье, опубликованной в журнале Science.

В камеру, с температурой около -50^оС, к которой было приложено электрическое поле, выпускался водяной пар. Молекулы воды притягивались к кончику вольфрамовой иглы, выступавшей в качестве одного из электродов. Там они кристаллизовались, образуя ледяное микроволокно (IMF), с максимальной шириной около 10 микрометров, что меньше ширины человеческого волоса.

Следующим шагом было понижение температуры до отметки от -70^оС до -150^оС. При таких низких температурах исследователи и пытались согнуть волокна льда.

Они обнаружили, что при -150^оС микроволокно диаметром 4,4 микрометра может изгибаться в почти круглую форму с радиусом 20 микрометров. Это предполагает максимальную упругую деформацию 10,9% — намного ближе к теоретическому пределу, чем любые предыдущие попытки.

Деформация была именно упругой — когда исследователи снимали нагрузку, лед принимал прежнюю форму.

Хотя лед для нас может выглядеть одинаково, его кристаллическая структура может сильно отличаться. Каждая конфигурация молекул в кристалле льда называется фазой, и таких фаз довольно много . Переходы между фазами могут происходить в различных условиях, связанных с давлением и температурой.

Продолжая эксперименты с гибким льдом, команда отметила фазовый переход от формы льда, известной как лед Ih — гексагональной кристаллической формы обычного льда, который встречается в природе, к ромбоэдрической форме льда II , который образуется при сжатии льда Ih. Этот переход происходил во время резких изгибов микроволокна льда при температуре ниже -70^оС и также был обратим. Исследователи отметили, что это может помочь разработать новый способ изучения фазовых переходов.

Наконец, команда попыталась использовать свой почти идеальный лед в качестве волновода для света. Как оказалось, свет, в значительном диапазоне длины волн, передавался ледяными волокнами так же эффективно, как и в современных волноводах из нитрида и диоксида кремния, встроенных в микросхемы. Это позволяет использовать в будущем микроволокна льда в качестве гибких волноводов для оптических длин волн при низких температурах.

«Мы можем представить себе использование IMF в качестве низкотемпературных датчиков для изучения, например, молекулярной адсорбции на льду, изменений окружающей среды, структурных изменений и деформации поверхности льда», — написали исследователи в своей статье. «Эластичные микроволокна льда могут предложить альтернативную платформу для изучения физики льда и открыть ранее неизведанные возможности для технологий, связанных со льдом, в различных дисциплинах».

В реках и фьордах Гренландии резко выросла концентрация ртути — она соизмерима с содержанием ртути в водоемах промышленных районов Китая. Причина — таяние ледников из-за глобального потепления и эрозия богатых ртутью горных пород под ледниковым щитом. 

По материалам Science Alert

Читайте также:

Ледники Гималаев тают с «шокирующей» скоростью: гляциологи

Почему лед не тонет в воде