– Woda to fundament całego życia – mówi prof. Christoph Salzmann z University College London. – A jednak, z naukowego punktu widzenia, ciągle wiemy o niej mało – dodaje.
Naukowiec jest głównym autorem pracy w „Science”. Opisuje ona odkrycie zupełnie nowej odmiany lodu. Badacze mają nadzieję, że może też przyczynić się do wyjaśnienia niezrozumiałych jeszcze właściwości wody.
Ile jest odmian lodu?
Woda w stałym stanie skupienia to oczywiście lód. Wbrew wiedzy potocznej, jest go bardzo wiele rodzajów. W zależności od tego, w jakich warunkach lód powstał – czyli m.in. w jakiej temperaturze i pod jakim ciśnieniem – może układać się w różnego typu sieci krystaliczne.
Najpowszechniejsza forma lodu, która powstaje w warunkach ziemskich i którą spotykamy zimą, to lód Ih. Tworzące go cząsteczki wody układają się w regularny wzór heksagonalny. Lód może mieć również inne odmiany. Np. we wnętrzu księżyców lodowych powstaje najprawdopodobniej lód II, czyli odmiana trygonalna. Istnieją też odmiany tetragonalne i inne.
To wszystko dotyczy lodu o strukturze krystalicznej. Czyli takiego, wewnątrz którego cząsteczki układają się w regularny, uporządkowany wzór. Jednak istnieje też lód amorficzny: forma lodu pozbawiona struktury krystalicznej.
Tworzenie lodu w młynie kulowym
Lód amorficzny powstaje – w uproszczeniu – wtedy, gdy cząsteczki wody zamarzają tak szybko, iż nie mają czasu ułożyć się w uporządkowany wzór. – Znamy aż dwadzieścia form lodu krystalicznego i tylko dwie amorficznego, o niskiej i wysokiej gęstości – mówi Salzmann. – Między nimi jest ogromna luka. Do tej pory przyjmowało się, że nic jej nie wypełnia.
Jego zespół wykazał, że jest inaczej. Naukowcy wykorzystali w doświadczeniach młyn kulowy, stosowany w przemyśle. Czyli zbiornik zawierający kule stalowe. Do jego środka włożyli zwykły lód. Następnie zaczęli potrząsać zbiornikiem schłodzonym do minus 200 st. C.
Nowa forma lodu
– Trzęśliśmy tym lodem jak szaleni przez długi czas i zniszczyliśmy jego krystaliczną strukturę – opowiada dr Alexander Rosu-Finsen, który odpowiadał za eksperymentalną część pracy. – Jednak zamiast otrzymania małych kawałków lodu, stworzyliśmy coś zupełnie innego. Coś o zaskakujących właściwościach.
Jak się okazało, proces nie doprowadził do rozbicia lodu. Zamiast tego powstała jego nowa amorficzna forma. Nazwano go lodem o średniej gęstości (ang. medium-density amorphous ice, MDA). Ma gęstość ciekłej wody, jednak przypomina wodę w stanie stałym.
– Wykazaliśmy, że możliwe jest stworzenie czegoś, co wygląda jak ciekła woda stop-motion – mówi prof. Andrea Sella, jeden z autorów pracy. – To niespodziewane i całkiem zdumiewające odkrycie – dodaje.
Czego nie wiemy o wodzie i Ganimedesie
Zdaniem badaczy, odkrycie może wyjaśnić pewne zagadkowe właściwości wody ciekłej. Np. wiadomo, że ma ona największą gęstość w temperaturze 4 st. C. W miarę dalszego ochładzania, jej gęstość maleje – i dlatego lód unosi się na wodzie. Ponadto, im bardziej ściska się wodę, tym łatwiej ją skompresować. To zupełnie odwrotnie niż w przypadku wielu innych substancji.
– Istniejące obecnie modele ciekłej wody muszą zostać ponownie przemyślane, tak by były w stanie wyjaśniać istnienie lodu amorficznego średniej gęstości. To może być dobry punkt startowy do ostatecznego wyjaśnienia właściwości ciekłej wody – zauważa prof. Salzmann.
Naukowcy podejrzewają, że odkryty przez nich lód MDA może istnieć wewnątrz księżyców lodowych Saturna i Jowisza. Siły pływowe generowane przez grawitację tych masywnych planet mogłyby działać na zwykły lód tak samo, jak stal w obracającym młynie kulkowym użytym w eksperymencie.
Dodatkowo okazało się również, że kiedy lód MDA został podgrzany i ponownie się skrystalizował, uwolnił bardzo dużo ciepła. Jeśli podobny proces zachodzi np. na Ganimedesie, może być przyczyną lodowych „trzęsień ziemi”. Czyli poruszania się tamtejszej skorupy lodowej.
