Лед в космосе — это не то же самое, что лед на Земле

Фото из открытых источников

Здесь, на Земле, мы обычно видим лёд во многих формах: кубики льда, ледяной дождь, снег, сосульки, пласты, покрывающие озёра и реки, а также ледники. Водяной лёд обладает такой формой благодаря своей гексагональной кристаллической решётке. Это делает его менее плотным, чем незамёрзшая вода, что позволяет ему плавать в напитке, озере и океане.

Водяной лёд существует по всей Солнечной системе за пределами Земли и в изобилии присутствует во всей Вселенной. Например, он встречается в плотных молекулярных облаках. Это ясли, где формируются звёзды и планеты, полностью пронизанные водяным льдом, а также в образующихся ядрах комет. Этот материал называется «аморфным льдом низкой плотности» (LDA), и он не обладает такой же жёсткой структурой, как земной лёд.

Мы все знаем, что вода – основа жизни на этой планете. Несмотря на то, насколько она распространена во Вселенной, учёные до сих пор не до конца её понимают. Изучение аморфного льда может помочь объяснить его ещё не разгаданные тайны. Здесь, в Солнечной системе, большие запасы воды находятся в области ледяных и газовых гигантов, в поясе Койпера и облаке Оорта. Группа учёных из Университетского колледжа Лондона исследовала форму этого льда с помощью компьютерного моделирования. Они обнаружили, что моделирование соответствует составу льда, который не полностью аморфен и содержит в себе мельчайшие кристаллы.

Ученые долгое время предполагали, что «космический лед» был бы «хаотичным» без структуры, которую мы наблюдаем у льда на Земле. Почему структура льда имеет значение? По словам исследователя Майкла Дэвиса, возглавлявшего исследовательскую группу, водяной лед играет важнейшую роль в материалах и структурах по всему космосу. «Это важно, поскольку лед участвует во многих космологических процессах, — сказал он, — например, в формировании планет, эволюции галактик и движении материи во Вселенной». Кроме того, понимание структуры этого льда в сравнении со льдом, образовавшимся на Земле, имеет значение для понимания других подобных «ультрастабильных стеклянных» веществ, которые образуются подобно льду.

Водяной лёд низкой плотности был впервые обнаружен в 1930-х годах, а его версия высокой плотности — в 1980-х. Дэвис и его команда открыли аморфный лёд средней плотности в 2023 году. Это форма водяного льда, плотность которой равна плотности жидкой воды. В отличие от кубиков льда в нашем теоретическом напитке, такой лёд не будет ни тонуть, ни плавать в воде, что кажется нам странным.

Работа команды Дэвиса также имеет интересные следствия для спекулятивной теории панспермии. Она рассматривает зарождение жизни на Земле и предполагает, что строительные блоки жизни попали на зарождающуюся планету вместе с потоком ледяных комет. Лед LDA мог, по сути, служить переносчиком таких веществ, как простые аминокислоты. Однако, по словам Дэвиса, этот «аромат» льда вряд ли является предпочтительным транспортером. «Наши результаты показывают, что этот лед был бы менее подходящим транспортным материалом для этих молекул, из которых зародилась жизнь», — сказал он. «Это связано с тем, что в частично кристаллической структуре меньше места для внедрения этих ингредиентов. Тем не менее, теория может быть верна, поскольку во льду есть аморфные области, где строительные блоки жизни могли бы задерживаться и храниться».

По словам Дэвиса, водяной лёд — важный материал не только для жизни, но и для других целей. «Лёд — потенциально высокоэффективный материал для космоса», — сказал он. «Он может защищать космические корабли от радиации или служить топливом в виде водорода и кислорода. Поэтому нам необходимо знать о его различных формах и свойствах».

Исследовательская группа использовала две компьютерные модели воды и заморозила эти виртуальные «коробки» из молекул воды, охлаждая их до -120 °C с разной скоростью. Эти разные скорости давали разные результаты, создавая разное количество кристаллического и аморфного льда. Команда также создала более крупные коробки из водяного льда, содержащие множество мелких, плотно упакованных кристаллов. Затем они нагрели полученный лёд, чтобы он мог сформировать кристаллы. В конечном итоге, в полученных кристаллах проявились различия, обусловленные их первоначальной формой.

Результатом стал лёд LDA, около четверти массы которого находилось в кристаллической форме. Это было косвенным доказательством, заявили они, что аморфный лёд низкой плотности содержит кристаллы. Если бы он был полностью неупорядоченным, лёд не сохранил бы никаких воспоминаний о своих более ранних формах. Тесты поднимают много вопросов о природе аморфных льдов и их роли в таких процессах, как формирование планет. Соавтор Дэвиса, профессор Кристоф Зальцманн из химического факультета Университетского колледжа Лондона, описал разницу между очень структурированным льдом на Земле (и последствиями для его образования) и аморфным льдом в космосе. «Лед на Земле представляет собой космологическую диковинку из-за наших тёплых температур», — сказал он. «Вы можете увидеть его упорядоченную природу в симметрии снежинки. Лед в остальной части Вселенной долгое время считался моментальным снимком жидкой воды, то есть неупорядоченным расположением, зафиксированным на месте».

Результаты моделирования, проведённого группой, показывают, что теория о том, что жидкая вода сразу превращается в комок аморфного льда, не совсем верна. Зальцманн также предполагает, что проведённая ими лабораторная работа может иметь важные последствия для других подобных веществ. «Наши результаты также поднимают вопросы об аморфных материалах в целом», — сказал он. «Эти материалы находят важное применение в самых передовых технологиях. Например, стекловолокна, передающие данные на большие расстояния, должны быть аморфными, или неупорядоченными, для своей работы. Если они действительно содержат мельчайшие кристаллы, и мы сможем их удалить, это улучшит их характеристики».

Проще говоря, эти вещества, помимо водяного льда, являются неотъемлемой частью таких технологий, как органические светодиоды (OLED) и волоконная оптика. В будущем, например, аморфный кремний можно будет изучать аналогичным образом, что приведет к значительному улучшению технологий, основанных на полученных сверхстабильных стеклах.