Cilvēkiem varētu šķist, ka par ūdeni jau sen vairs nav nekā jauna ko uzzināt. Tas ir mums visapkārt ik dienu – šķietami vienkārša viela –, taču tās īstā daba slēpj sevī daudz vairāk noslēpumu, nekā spējam iedomāties. Jaunākie zinātniskie pētījumi atklāj, ka pat mums labi pazīstamos apstākļos var pastāvēt pavisam jauni vielas agregātstāvokļi.
Jauns, šķietami neiespējams ledus paveids
Starptautiska zinātnieku komanda Korejas Standartu un zinātnes institūta vadībā ir atklājusi jaunu ledus veidu, ko nosauca par “ledus XXI”. Šis ledus veidojas istabas temperatūrā – parādība, kas ir pretrunā ar mūsu ierasto priekšstatu par fizikas likumiem. Atklājums ir īsts pagrieziena punkts ūdens izpētes vēsturē.
Līdz šim zinātniekiem bija izdevies identificēt vairāk nekā divdesmit dažādas ledus kristālstruktūras, taču neviena no tām nelīdzinājās jaunatklātajai. “Ledus XXI” īpatnība ir tā, ka tas saglabājas stabils apstākļos, kuros parasti būtu jāpastāv pavisam citām ledus formām. To var salīdzināt ar trauslu līdzsvaru uz robežas starp haosu un kārtību, kur daba uz īsu brīdi pieļauj neparastas struktūras eksistenci.
Jums varētu patikt šie:
Šķietami nestabilas, tomēr noturīgas struktūras noslēpums
“Ledus XXI” struktūra ir metastabila, tas ir, īslaicīgi stabila – tas nozīmē, ka tā var pastāvēt noteiktu laiku, lai gan no termodinamikas viedokļa tai vispār nevajadzētu eksistēt. Šāds ledus veidojas milzīga spiediena ietekmē – apmēram divu gigapaskalu līmenī, kas ir aptuveni divdesmit tūkstoš reižu lielāks nekā atmosfēras spiediens.
Šādos apstākļos ūdens pārvēršas tā dēvētajā ļoti saspiestā šķidrumā, kas nekristalizējas ierastajā veidā. Šāda stāvokļa atklāšana kļuva iespējama tikai pateicoties vismodernākajām zinātniskajām iekārtām.
Pētnieki izmantoja dimanta kameras ārkārtīgi augsta spiediena radīšanai un īpaši īsus rentgenstarojuma impulsus, kas ļāva fiksēt ledus kristalizācijas gaitu ar mikrosekundes precizitāti. Tādējādi Eiropas zinātnieki XFEL un PETRA III centros varēja novērot, kā ūdens vairāk nekā tūkstoš reižu sekundē pāriet no vienas struktūras citā.
Šajos procesos tika novērotas vismaz piecas dažādas kristalizācijas un kušanas secības, tostarp metastabilais “ledus VII” un stabilais “ledus VI”. Šie novērojumi apstiprināja Ostvālda pakāpeniskuma likumu, saskaņā ar kuru vielas bieži vispirms veido nestabilus starpstāvokļus, pirms sasniedz savu galīgo, stabilāko formu.
Ko šis atklājums nozīmē?
“Ledus XXI” kristālstruktūra ir ārkārtīgi sarežģīta – vienā elementārajā kristālrežģa šūnā ietilpst veseli 152 ūdens molekulas. Tāpēc tā blīvums ir 1,413 grami kubikcentimetrā, kamēr parastajam ledum tas ir tikai 0,917 grami kubikcentimetrā.
Jums varētu patikt šie:
Šāds molekulu sakārtojums un kārtība liek domāt, ka varētu pastāvēt vēl citas augstas temperatūras metastabilas ledus formas. Atklājums ne tikai paplašina mūsu izpratni par ūdens īpašībām, bet ir būtisks arī planetoloģijā.
Piemēram, līdzīgas ledus struktūras varētu sastapt Saturna un Jupitera pavadoņos, tādos kā Titāns vai Ganimēds, kur spiediena un temperatūras apstākļi var būt līdzīgi tiem, kas radīti eksperimentos. Tas ļauj labāk izprast šo debess ķermeņu iekšējo uzbūvi un attīstības vēsturi.
Uz Zemes šāda veida pētījumi paver ceļu precīzāku ūdens molekulas modeļu veidošanai un jaunu funkcionālu materiālu izstrādei. Tas atkal atgādina, ka pat viss ikdienišķākais un mūs it visur pavadošais ūdens molekulas veidojums joprojām glabā sevī daudz neatrisinātu mīklu, kas vēl tikai gaida savu atklāšanu.
