Kosmiczny lód VII – naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego podważają klasyczny model struktury

Jeszcze w okresie programu księżycowego Apollo panowało przekonanie, że Księżyc jest zupełnie suchy, a płynna woda występuje niemal wyłącznie na Ziemi. Już wtedy pojawiały się jednak pierwsze sygnały temu przeczące – w tym samym roku, w którym wylądowano na Srebrnym Globie, astronomowie wykryli pierwsze ślady wody w przestrzeni międzygwiazdowej.

Dzięki wieloletnim badaniom wiemy, że woda jest jednym z najpowszechniejszych związków w kosmosie. Najczęściej – w ponad 99,99% przypadków – występuje jednak jako lód. Obecnie znamy ponad 20 odmian krystalicznych wody. Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego przyjrzeli się jednej z nich, zwanej lodem VII – wyjątkowej formie, która przy odpowiednim ciśnieniu może pozostawać w stałym stanie skupienia niezależnie od panującej temperatury.

Ciśnienie 900 tysięcy razy większe niż na powierzchni Ziemi

Badany przez ekspertów z UW lód prawdopodobnie tworzy się głęboko we wnętrzach niektórych ciał niebieskich w naszym Układzie Słonecznym. Odmiana ta powstaje wyłącznie pod bardzo silnym ciśnieniem – od 2 do 90 gigapaskali. To wartość od 20 tysięcy do nawet 900 tysięcy razy większa niż na powierzchni Ziemi. Dlatego badanie jego struktury jest kluczowe dla zrozumienia budowy wnętrz planet i księżyców lodowych, choć nie ma bezpośredniego przełożenia na codzienne życie na naszej planecie.

Warto dodać, że kolejne odmiany lodu określa się cyframi rzymskimi, zgodnie z kolejnością ich odkrycia.

To właśnie ciśnienie oraz temperatura decydują o tym, jak cząsteczki wody układają się w ciele stałym. W warunkach ziemskich powstaje znany nam lód, ale pod ogromnym ciśnieniem ta sama woda tworzy zupełnie inny wzór krystaliczny. Zwykły lód, taki jak z domowych zamrażarek, topi się w kontakcie z ciepłą dłonią, natomiast lód VII, pod odpowiednim ciśnieniem, pozostaje stały nawet w temperaturach rzędu kilkuset stopni Celsjusza. Badanie tej formy, mimo że nie występuje ona naturalnie na Ziemi, pozwala nam zrozumieć, jak zachowuje się woda w warunkach skrajnie odmiennych od standardowych.

Lokalny nieład

Tematowi przyjrzał się zespół naukowców z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego pod kierownictwem prof. dr. hab. Krzysztofa Woźniaka oraz dr. hab. Wojciecha Sławińskiego. W badaniach brali również udział specjaliści z USA i Wielkiej Brytanii.

Wspólnie odkryli oni w strukturze lodu VII lokalny nieład, który podważył teorie zakładające prostą i idealnie symetryczną budowę wody w stanie stałym.

Prof. Woźniak wyjaśnia, że wiązania wodorowe w lodzie VII nie są idealnie uporządkowane. – Każda cząsteczka wody oddziałuje z sąsiadkami nieco inaczej, więc otoczenie atomów nie jest identyczne w całej strukturze – tłumaczy badacz.

Dlaczego to tak istotne? Przede wszystkim dlatego, że dotąd sądzono, iż cząsteczki wody układają się w lodzie VII według powtarzalnego wzoru, tworząc bardzo regularną strukturę. Nowe badania pokazują jednak, że ten porządek jest tylko pozorny – z bliska widać drobne przesunięcia i lokalny nieład, którego klasyczne modele nie potrafiły uchwycić.

Zastąpić wodór deuterem

Do zbadania tego zjawiska posłużyła tzw. dyfrakcja neutronowa. Strumień neutronów przepuszczony przez próbkę jest rozpraszany przez atomy, a detektory rejestrują uzyskany obraz, co pozwala odtworzyć wnętrze kryształu. Klasyczna analiza ujawnia głównie uśredniony, powtarzalny porządek: średnie położenia atomów i rozmiar podstawowego fragmentu struktury. Polscy naukowcy poszli jednak o krok dalej – przeanalizowali również słabsze sygnały ukryte między głównymi pikami pomiaru, co pozwoliło im dostrzec lokalne odchylenia od idealnego wzorca.

W badaniach użyto tzw. ciężkiej wody (D₂O), w której wodór zastąpiono deuterem. Jest on niemal identyczny chemicznie, ale daje znacznie czystszy sygnał neutronowy niż zwykła woda. Jak tłumaczą naukowcy, D₂O ma niższe rozpraszanie niekoherentne, co pozwala 30–40 razy dokładniej mierzyć strukturę, a cięższy deuter porusza się wolniej termicznie, co ułatwia ustalenie jego pozycji w sieci krystalicznej.

Próbkę umieszczono w prasie o nacisku do 40 ton i naświetlono strumieniem neutronów, rejestrując obraz dyfrakcji, z którego (po obróbce danych) odtworzono położenie atomów. Pomiary wykonano na dyfraktometrze PEARL (z prasą wysokociśnieniową Paris-Edinburgh) w Rutherford Appleton Laboratory niedaleko Oksfordu.

Czy wnioski z tych badań pomogą teraz w analizie lodowych olbrzymów naszego układu planetarnego i lodowych księżyców Jowisza?

Źródło: UW

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i pisarka zajmującą się tematyką popularnonaukową, głównie kosmosem. Absolwentka Uniwersytetu Warszawskiego, przygodę z mediami rozpoczęła ponad 20 lat temu w redakcji „Życia Warszawy”. Poza pisaniem o polskiej i światowej nauce na łamach „National Geographic” współpracuje m.in. z „Wysokimi Obcasami” i kilkoma magazynami premium. Współautorka trzech bestsellerowych książek: „Człowiek – istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Pracuje w Centrum Badań Kosmicznych PAN i współpracuje z polskim Obserwatorium Cerro Murphy w Chile (OCM), którym zarządza CAMK PAN.