Pavel Karásek 
Led si obvykle představujeme jen jako zmrzlou vodu. Je jednoduchý, pevný a studený. Ale voda je mistr převleků. S pouhými dvěma atomy, vodíkem a kyslíkem, dokáže zamrznout na více než 20 různých druhů ledu. Každý typ má svou vlastní jedinečnou vnitřní strukturu. Některé jsou hladké a důvěrně známé, jako ty ve vašem mrazáku, zatímco jiné se objevují pouze pod silným tlakem, jako v hlubinách Země nebo na vzdálených měsících.
Vědci zkoumali tyto ledové formy již více než století, nejen pro zajímavost, ale také proto, aby pochopili, jak se voda chová v extrémních prostředích, včetně míst, kde by mohl existovat mimozemský život.
V jedné studii vědci objevili nový typ, označený jako led XIX. Podobá se Ice XV, kde jsou atomy kyslíku uspořádány stejným způsobem, ale atomy vodíku jsou uspořádány jinak. Další studie informovala o ledová fáze zvaná led VIItkterý se objevuje hluboko v zemském plášti nebo na vodních exoplanetách. Původně pojmenovaná jako VIIt, fáze byla poté usazena do další známé fáze zvané ice X.
Vědci z Korejského výzkumného institutu pro standardy a vědu (KRISS) nyní objevili zbrusu novou formu ledu: oficiálně nazývanou led XXI a nepodobá se ničemu, co jsme dosud viděli.
Pomocí výkonného nastavení, které kombinuje diamantové kovadliny a rentgenové lasery, sledovali, jak se super stlačená voda chová při pokojové teplotě. Překvapivě, místo toho, aby zmrzla v jediném kroku, voda podstoupila několik cyklů zmrazení-tavení, vše v tlakové zóně, kde se obvykle tvoří led VI. Právě tam se objevil led XXI.
Čím je výjimečný?
Ice XXI má unikátní atomovou strukturu, která se liší od všech více než 20 známých typů ledu. Navíc je metastabilní, což znamená, že může nějakou dobu trvat, i když je za těchto podmínek v nestabilní formě, což nabízí okno do toho, jak se pod tlakem tvoří led. To by nám mohlo pomoci lépe porozumět ledovým planetám a hlubokému prostředí Země.
„Rychlé stlačení vody umožňuje, aby zůstala kapalná až do vyšších tlaků, kde by již měla krystalizovat na led VI,“ vysvětluje vědec KRISS Geun Woo Lee.
Vědci vytvořili podmínky vysokého tlaku pomocí diamantových kovadlinových buněk. Naplnili ultračistou vodu do tenké kovové komory a použili směs vysokorychlostních kamer, laserových senzorů a monitorovacích nástrojů v reálném čase, aby sledovali, jak voda mrzne a taje při pokojové teplotě.
Pulsováním tlaku nahoru a dolů zachytili snímky transformace a sledovali změny ve struktuře, tlaku a objemu s oslnivou přesností. Dokonce i fluorescence z drobných rubínových krystalů pomohla měřit tlak, zatímco Ramanova spektroskopie odhalila, jak uvnitř tančí molekuly vody.
K odhalení přesného okamžiku, kdy se voda mění v exotický led, vědci použili silné rentgenové paprsky na synchrotronu. Rozptýlené rentgenové signály byly zachyceny Lambda detektorem a analyzovány pomocí programu nazvaného DIOPTAS. Rytmus tlaku byl upraven na nerovnoměrný trojúhelníkový vzor, aby lépe odpovídal procesu zmrazování.
Dva typy detektorů zachytily akci při různých rychlostech: jeden s vysokou rychlostí 0,56 milionukrát za sekundu a druhý se stabilnější rychlostí 10krát za sekundu. Společně pomohli odhalit skrytý tanec vody proměňující se v led.
Vědci provedli simulace molekulární dynamiky pomocí dvou modelů: SPCfw45 a TIP4P/Ice46. TIP4P/Ice funguje jako tuhý vodní model: jeho molekulární úhly a délky vazeb zůstávají pevné. Je dobře zmapovaná pro vysokotlaký led. Na druhou stranu je SPCfw pružnější a umožňuje molekule vody ohýbat se a natahovat, zejména při vytváření deformovaných vodíkových vazeb, jak je vidět na ledu VI.
I když je jeden model tuhý a druhý ohebný, oba vykazovaly podobné trendy v tom, jak se voda mění s tlakem, a tyto trendy odpovídaly tomu, co zjistily experimenty.
Vědci zjistili, že když je voda super stlačená při pokojové teplotě, nezmrzne ani v jediném čistém kroku. Místo toho prochází řadou smyček zmrazení a tání, než se usadí do známé formy známé jako led VI. Ale schovaní uvnitř této tlakové zóny objevili něco nového: led XXI. Tvoří se při tlaku kolem 1,6 gigapascalů a má na tělo centrovanou tetragonální krystalovou strukturu.
Ice XXI je podivín; má více energie než MS-ice VII při pokojové teplotě, což znamená, že je méně stabilní. Ale rozdíl není velký. Fascinující je, jak se transformují: pouze led XXI se může proměnit v MS-ice VII. Běžná voda takový skok nedokáže. Pokud však smícháte vodu a MS-ice VII, obě se pod tlakem přemění na led VI.
Ve vysokotlakém experimentu využívajícím výkonné rentgenové lasery (XFEL) vědci zjistili, že voda při zamrzání nesleduje pouze jednu cestu: má nejméně pět různých cest, dokonce i při pokojové teplotě.
„S jedinečnými rentgenovými pulzy evropského XFEL jsme odhalili mnohočetné krystalizační dráhy v H2O, která byla rychle stlačena a dekomprimována více než 1000krát pomocí dynamické diamantové kovadliny,“ vysvětluje Geun Woo Lee.
Rachel Husbandová, další členka výzkumného týmu, dodává, že „nálezy naznačují, že může existovat větší počet vysokoteplotních metastabilních ledových fází a s nimi spojených přechodových drah, což potenciálně nabízí nový pohled na složení ledových měsíců.“
Studie je publikována v Přírodní materiály.
Zdroj: European XFEL
Čerpáme z těchto zdrojů: google.com, science.org, newatlas.com, wired.com, pixabay.com
