Раскрыта удивительная кристаллическая природа космического льда
Астрофизики из Университетского колледжа Лондона (UCL) и Кембриджского университета выяснили, что находящийся в космосе лед на самом деле состоит из крошечных кристаллов, и это обстоятельство в корне меняет существующие представления о его строении и свойствах. Космическим льдом специалисты называют аморфный лед низкой плотности — это самая распространенная форма льда во Вселенной, которая встречается на кометах, ледяных спутниках и в пылевых облаках, где зарождаются звезды и планеты.
Ранее предполагалось, что при крайне низких температурах, характерных для космоса, вода замерзает, не успевая сформировать кристаллическую решетку, и в результате получается аморфный, то есть полностью неупорядоченный, не имеющий структуры лед. Однако с помощью компьютерного моделирования ученые выяснили, структура космического льда совпадает с данными экспериментов только в том случае, если в нем все же присутствуют нанокристаллы размером около трех нанометров — это чуть шире молекулы ДНК. Такой лед можно с полным правом назвать смесью хаоса и порядка: основная масса действительно аморфная, но внутри хаотической массы присутствуют микроскопические упорядоченные участки.
Ученые также провели лабораторные эксперименты, воссоздавая лед различными способами — от осаждения водяного пара на холодную поверхность до медленного нагревания льда высокой плотности, полученного путем сжатия при сверхнизких температурах. В процессе перекристаллизации, когда аморфный лед постепенно превращается в кристаллический, специалисты заметили: структура новых кристаллов зависит от того, каким образом был образован исходный лед. Это значит, что даже в замерзшем состоянии лед сохраняет своего рода «память» о собственном происхождении — это было бы невозможно в случае полностью хаотичной структуры вещества.
Это открытие не только уточняет устройство самого распространенного во Вселенной льда, но и имеет большое значение для понимания космоса в целом. Например, оно ставит под сомнение один из вероятных сценариев происхождения жизни на Земле — гипотезу Панспермии. Согласно ей, строительные блоки жизни — аминокислоты — могли попасть на Землю на борту ледяных комет, вмороженные в аморфный лед. Однако если такой лед отчасти кристаллизован, значит, в нем меньше свободного пространства для органических молекул. Тем не менее, в аморфных участках льда такая возможность все-таки сохраняется, считают исследователи.
Кроме того, полученные данные заставляют ученых пересмотреть свойства аморфных материалов в целом. Например, свойства оптоволокна, которое передает данные на большие расстояния именно благодаря своей аморфности. Если в таких материалах все-таки присутствуют нанокристаллы, их удаление могло бы значительно повысить эффективность. Также перед учеными встает вопрос о существовании действительно полностью аморфного льда — возможно ли его создать и каковы будут его свойства?
Интерес специалистов к различным формам льда не случаен. Помимо фундаментального значения для астрофизики, лед в космосе может играть прикладную роль: он способен защищать от радиации, служить источником водорода и кислорода, а значит — и топлива для ракетных двигателей будущего. Как отмечает автор работы Майкл Дэвис, понимание природы льда в его различных проявлениях имеет ключевое значение для будущих космических миссий.
Ранее ученые выяснили, откуда на Земле взялись океаны.
