Открыта новая форма льда — самая лёгкая из всех

16 февраля 2016

+7 926 604 54 63 address

Лёд-XVI, полученный в 2014 году, представляет собой клатрат топологически эквивалентный полостной структуре КС-II (<em>англ</em>. sII) и являлся самым лёгким льдом до открытия новой модификации. — Лёд-XVI, полученный в 2014 году, представляет собой клатрат топологически эквивалентный полостной структуре КС-II (*англ*. sII) и являлся самым лёгким льдом до открытия новой модификации.

Исследователи из Китая и США сообщили об открытии новой формы водяного льда. Смоделированная структура ледяного кристалла является стабильной и обеспечивает данной модификации наименьшую плотность из всех известных на сегодняшний день.

Как и другие модификации льда, открытые в последнее время, новая структура получена методом компьютерного моделирования. Сяо Чэн Цзэн (Xiao Cheng Zeng) с коллегами развили идею европейской команды учёных, нашедших в 2014 году лёд-XVI, самую лёгкую модификацию на тот момент. Он представляет собой клатрат — молекулярную структуру в форме клетки, в которой между молекулами основного вещества, в данном случае воды, заключены атомы примеси. Группа во главе с Анджеем Фаленты (Andrzej Falenty) поместила внутрь кристаллической решётки кубического клатрата КС-II (sII) молекулы неона и показала, что за пять дней методом вакуумного насоса можно удалить все эти примеси. В результате был получен лёд с плотностью 0,81 г/см³, правда, термодинамически нестабильный. Моделирование показывает, что лёд-XVI должен сохраняться при отрицательном давлении, то есть, при действующем на кристалл растяжении.

Китайской группе удалось добиться большего. Моделируя кубическую структуру клатрата КС-III (sIII) с молекулами метана в качестве примеси, учёные рассчитали, что после удаления метана получается лёд с плотностью 0,6 г/см³ (от 0,593 до 0,605, в зависимости от используемой компьютерной модели воды). Это сразу на четверть легче, чем у льда-XVI.

При этом полученная модификация льда остаётся динамически стабильной после извлечения всех молекул метана из решётки и, как показывают расчёты, может быть полностью стабилизирована путём инкапсуляции инородных молекул подходящего размера.

Структура клатрата sIII водяного льда. Слева — два типа клеток: снизу 8⁶6⁸4¹², 48 молекул с симметрией атомов кислорода; сверху 8²4⁸, 16 молекул с симметрией D₂; показаны только кислородные структуры. В центре и справа — элементарные ячейки 1 × 2 (в центре) и 2 × 2 (справа); сеть водородных связей показана синими пунктирными линиями, кислород — красным, водород — белым.

Если результаты работы будут подтверждены, новая модификация получит собственный индекс и будет называться лёд-XVII. В таком случае она станет восемнадцатой известной модификацией кристаллического льда. Сбой в нумерации возник из-за того, что первые две модификации льда были названы лёд-I_c и лёд-I_h. Впрочем, ситуация может запутаться ещё больше, если предполагаемую кубическую разновидность льда-XI (XI_c) в конце концов признают существующей.

Помимо многочисленных модификаций кристаллического льда плюс жидкой и газообразной формы, вода может находиться в трёх разных аморфных состояниях, а также в трёх известных на сегодняшний день формах суперионного льда, а кроме того, пребывать в состоянии ионной жидкости.