Ученые показали, как выглядит замерзшая вода в космосе — и это совсем не снежинки

Мы привыкли считать воду чем-то простым. Но когда она замерзает за пределами Земли, с ней происходят процессы, которые удивляют даже физиков. Новое открытие меняет представление о том, как устроен мир на атомном уровне.

Вода — один из самых распространенных элементов во Вселенной, но ее поведение в условиях открытого космоса все еще остается загадкой. Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review B, показало, что аморфный лед, формирующийся во внеземных условиях, вовсе не так бесформенен, как считалось ранее. Ученые обнаружили, что в этом типе льда присутствуют наноразмерные кристаллы — упорядоченные участки вещества, которые ранее считались невозможными в условиях вакуума и экстремального холода.

Вода во Вселенной: там больше порядка, чем казалось

Исследование объединяет материаловедение, физику конденсированных сред, астрохимию и фазовые переходы, демонстрируя, что даже в самых суровых условиях Вселенной возможна локальная кристаллизация. В ходе экспериментов команда Майкла Бенедикта Дэвиса и Кристофа Зальцманна из University College London и Кембриджского университета смоделировала замерзание воды при температуре около –120°C — аналогично условиям, в которых формируется космический лед на пылевых частицах, спутниках или астероидах.

При медленном охлаждении вода формирует кристаллические решетки, как в обычном льде, знакомом нам по снежинкам. Однако если замораживание происходит стремительно — как это бывает в открытом космосе — молекулы не успевают организоваться и образуют аморфное тело. Именно такие условия, по представлениям ученых, преобладают на ледяных телах в Солнечной системе, таких как спутники Юпитера и Сатурна, а также в межзвездных облаках.

Однако в ходе моделирования выяснилось, что даже аморфный лед способен содержать до 20% кристаллических структур. Это подтверждается экспериментами с замораживанием водяного пара на сверххолодных поверхностях — аналогичных каменистым телам в космосе. А при нагревании такого льда до переходных температур наблюдается образование новых кристаллитов, что указывает на его изначальную скрытую упорядоченность.

Почему это важно для науки и технологий

Этот вывод может радикально изменить понимание многих процессов — от формирования планет до движения материи в галактиках. Лед участвует в космологических реакциях, в том числе в аккреции газов и образовании планетных тел. Открытие также затрагивает свойства других аморфных материалов, таких как стекловолокно, где случайное расположение атомов критично для оптической передачи данных. Если в этих материалах тоже присутствуют кристаллические вкрапления — пусть даже микроскопические — это может повлиять на их производительность.

Фраза «вода — странное вещество» вновь подтверждается. Сегодня известно более 20 фаз льда, и ученые продолжают находить все новые. Новое открытие добавляет еще один аргумент в пользу того, что даже в кажущемся хаосе природа создает структуру — и что материя во Вселенной гораздо более организована, чем мы привыкли думать.