Vedci sa v novej štúdii zamerali na špecifickú formu vody, ktorá sa nazýva „plastický ľad VII“. Ide o jedinečné skupenstvo, ktoré spája vlastnosti pevnej a tekutej látky.
Viac než len tri skupenstvá vody
Bežne poznáme vodu v troch podobách – kvapalnej, plynnej a tuhej. Avšak za extrémnych podmienok, pri vysokých teplotách a tlaku, môže voda existovať v rôznych exotických skupenstvách, uvádza portál Neutrons for Society. Tieto neobvyklé formy vody boli dlho predmetom teoretických úvah, no vďaka najmodernejším technológiám sa výskumníkom z inštitútu Laue-Langevin podarilo plastický ľad VII po prvýkrát pozorovať v laboratóriu.
Už pred viac ako 15 rokmi vedci predpokladali existenciu tohto skupenstva na základe simulácií molekulárnej dynamiky. Tieto výpočty naznačovali, že pri extrémnych podmienkach by mohla existovať forma vody, kde molekuly tvoria pevnú kryštalickú mriežku, no zároveň sa rýchlo otáčajú – podobne ako v kvapaline. „V plastickom ľade molekuly vody vytvárajú pevnú štruktúru, ale zároveň vykonávajú extrémne rýchle rotačné pohyby na úrovni pikosekúnd, čo pripomína správanie kvapaliny,“ vysvetľuje Livia Eleonora Bove, vedúca výskumu.
Využitie v planetárnej vede
Na skúmanie tejto nezvyčajnej fázy vody vedci použili špeciálnu metódu s názvom QENS (Quasi-Elastic Neutron Scattering). Tento nástroj im umožnil presne sledovať prechod vody cez rôzne exotické skupenstvá v závislosti od zmeny teploty a tlaku. Plastický ľad VII sa podarilo vytvoriť pri teplotách v rozmedzí 176 – 326 °C a pri tlakoch od 0,1 do 6 gigapascalov, čo je až 60-násobok bežného atmosférického tlaku. Takéto extrémne podmienky boli donedávna v laboratóriu ťažko dosiahnuteľné, no vďaka technologickému pokroku sa výskumníkom podarilo ich simulovať.
Výsledky ukázali, že procesy v plastickom ľade VII sú ešte komplexnejšie, ako sa pôvodne predpokladalo. Merania naznačujú, že molekulárna rotácia v tomto skupenstve prebieha iným mechanizmom, než sa doteraz myslelo. Vedci sa zamerali najmä na prechod medzi ľadom VII a plastickým ľadom VII.
„Zmena medzi týmito skupenstvami je nesmierne zaujímavá. Naznačuje, že plastické skupenstvo môže byť prechodnou fázou smerujúcou k superionickému ľadu, čo je ďalšia unikátna forma vody,“ dodáva Bove.
Pomoc pri skúmaní vzdialených svetov
Superionický ľad je ešte záhadnejším skupenstvom, v ktorom sa atómy vodíka môžu voľne pohybovať cez kyslíkovú kryštalickú mriežku. Vedci sa domnievajú, že plastický a superionický ľad môžu zohrávať kľúčovú úlohu v štruktúre ľadových mesiacov, ako sú Ganymedes a Callisto, alebo obrovských planét ako Urán a Neptún. Predpokladá sa, že v hlbinách týchto telies môže voda existovať v týchto exotických formách, čím by mohla ovplyvňovať ich geológiu a magnetické polia.
Hoci sa metóda QENS bežne nevyužíva v planetárnej vede, vedci zistili, že poskytuje veľmi presné informácie o polohe a pohybe atómov vodíka. Nedávno navyše vyvinuli postupy, ktoré umožňujú realizovať experimenty pri tlakoch relevantných pre výskum exoplanét a vzdialených telies v našej slnečnej sústave. To otvára nové možnosti pri skúmaní neznámych vlastností vody.
Stále viac objavov
Voda má viac skupenstiev, než sme si doteraz mysleli. V roku 2024 vedci identifikovali ďalšiu formu ľadu – tzv. „ľad 0“. Tento typ ľadu pravdepodobne zohráva úlohu v procese zamŕzania vody a jeho kryštalická štruktúra môže byť prvým krokom pri tvorbe bežného ľadu. Pozorovania naznačujú, že ľad 0 môže spôsobiť, že kvapka vody zamrzne najprv na svojom povrchu a až následne v jadre. Tento objav by mohol pomôcť lepšie pochopiť fyzikálne procesy, ktoré ovplyvňujú formovanie ľadu v prírode aj v laboratórnych podmienkach.
Výskum exotických skupenstiev vody odhaľuje nové súvislosti a naznačuje, že voda môže existovať v ešte nepreskúmaných formách. S pokračujúcim technologickým pokrokom sa tak môžeme v budúcnosti dočkať ďalších prelomových objavov.
