Вода — странная штука. Когда кубики льда плавают в стакане с напитком, они ведут себя вопреки правилам. Обычно твердые тела плотнее жидкостей, поэтому тонут. Но у воды из-за ее водородных связей характер своенравный, и она любит выкидывать сложные номера.

Ученые давно взялись за изучение водяного льда и его разновидностей, чтобы наконец объяснить эти чудачества. Знания нужны не только для физики или химии, но и для материаловедения. А еще они жизненно важны для планетологии: ледяные планеты и спутники могут оказаться обитаемыми, и понимание льда поможет понять, где искать инопланетную жизнь.

В журнале Nature Materials вышла работа группы исследователей, среди которых Йонг-Дже Ким и Эрл О’Баннон из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса.

Они поставили простой с виду опыт: сжали воду при комнатной температуре невероятно сильно и посмотрели, как она замерзает под давлением.

В итоге они нашли как минимум пять разных путей перехода в лед и обратно, а вдобавок — совершенно новую фазу, которую назвали Лед Двадцать Первый.

Обычный человек думает, что лед — это именно то, что лежит в морозилке, но с водой все куда сложнее. Из-за водородных связей молекулы воды выстраиваются по-разному в зависимости от давления и температуры. Уже открыто больше двадцати разных кристаллических фаз льда — от Льда I до Льда XXI, и у каждой своя симметрия, плотность и способ соединения молекул.

Авторы открытия не стали охлаждать воду. Вместо этого при комнатной температуре они сдавили ее до десяти тысяч атмосфер. Для этого использовали динамическую алмазную наковальню — хитрый прибор, где два алмаза сжимают капельку воды. А в момент сжатия за молекулярной структурой следили с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах. Лазер делал снимки на лету, пока лед быстро перестраивался из одной фазы в другую.

О’Баннон объясняет:

У европейского рентгеновского лазера огромная яркость и высокая временная разрешающая способность, эти свойства идеально подходят для наблюдения за эволюцией структуры льда при ударном сжатии в алмазной ячейке.

Ким добавляет:

Вместе с лазером алмазная наковальня позволяет заметить короткоживущие, нестабильные состояния — те, что исчезают быстрее, чем их успевают изучить.

Благодаря такому скоростному взгляду ученые увидели, как вода превращается в давно известную стабильную фазу льда, проходя через две промежуточные, нестабильные структуры. Первая из них — как раз новенький Лед XXI. У него тетрагональная кристаллическая решетка, то есть форма в виде прямоугольного столбика с квадратным основанием.

Лед XXI рождается только из воды под очень сильным сверхсжатием. Как только он переходит в другую фазу — все, он больше не появляется. И это самая крупная и сложная по устройству единица среди всех известных льдов.

Кстати, эта работа подкрепляет так называемое правило стадий Оствальда. Суть простая: кристаллизация обычно идет через полустабильные промежуточные формы, а не прыгает сразу в самую устойчивую фазу.

Ким впервые заметил признаки этого льда еще в 2018 году, когда работал в Корейском институте стандартов и науки. Тогда он использовал скоростную съемку и получил рентгеновскую дифракционную картину на синхротроне. Но в воде могла быть грязь, а сама дифракционная картина оказалась мудреной. Одних этих данных было мало. Ким ушел из института, перебрался в Ливерморскую лабораторию в 2019 году, а загадка новой фазы так и осталась неразгаданной. К 2023 году корейская команда продолжала видеть те же самые сигналы, и это подтолкнуло Кима пересмотреть старые данные. Наконец он опознал Лед XXI.

Это открытие не просто меняет представление о фазовой диаграмме воды. Оно говорит: скрытых нестабильных состояний полно не только в чистой воде, но и в соленых растворах, в биологических системах и в специально созданных материалах. Мир воды под давлением оказался намного богаче и сложнее, чем кто-либо   предполагал.

На самом деле такие исследования — дорогое удовольствие. европейский рентгеновский лазер на свободных электронах — установка стоимостью больше миллиарда евро, и время на ней бронируют за год вперед. Алмазные наковальни тоже не из дешевых: алмазы высокого качества для сверхвысоких давлений стоят тысячи долларов за пару, а после одного эксперимента часто ломаются. Поэтому рядовым лабораториям эта технология недоступна, и повторять подобные опыты могут только богатые научные центры.

До этого исследования ученые уже открыли двадцать фаз льда, большинство из них — теоретические или полученные при сверхнизких температурах. Лед XXI впервые показывает, что при комнатной температуре под давлением можно поймать абсолютно новую структуру.

Сможет ли обычный человек подержать на ладони такой лед? Никогда. Лед XXI существует только при чудовищном давлении — десять тысяч атмосфер. Если вынуть его из алмазной наковальни, он мгновенно превратится в обычный лед или в воду. Так что держать кубик Льда XXI в стакане с напитком у себя на кухне не выйдет.

Другие группы пробовали сжимать воду быстрее — например, ударными волнами. Но при взрывном сжатии фазы смешиваются, и детали теряются. Метод Кима и О’Баннона намного точнее: динамическая алмазная ячейка плюс лазер дают и скорость, и чистоту. Европейский лазер — уникальный, аналогов ему по временному разрешению в мире единицы. Так что работа стоит особняком.

Главный подвох работы вот в чем: исследователи открыли Лед XXI, но видели они его всего несколько миллионных долей секунды. Нет никакой гарантии, что это именно кристаллическая фаза, а не какой-то переходный шум. Ким сам признает: дифракционная картина была сложной, и он долго сомневался. К тому же в 2018 году в воде могла быть примесь, которая повлияла на результат. Авторы уверяют, что современные опыты чище, но проверить их на другой установке некому — только этот лазер дает нужную скорость. Так что не исключено, что Лед XXI — артефакт, а не настоящая фаза.

Ранее ученые открыли новые детали атомной структуры воды в экстремальных условиях.