Исследователи из Корейского научно-исследовательского института стандартов и науки (KRISS) объявили о прорыве в физике твёрдых тел — им удалось выявить новую, 21-ю кристаллическую фазу водяного льда, получившую название Ice XXI.
Это открытие не только расширяет представления о поведении воды при экстремальных условиях, но и помогает понять, что происходит в недрах ледяных планет и спутников вроде Европы, Ганимеда и Энцелада.

Новая фаза под давлением

Фаза Ice XXI образовалась при давлении свыше 2 гигапаскалей (около 20 тысяч атмосфер) и комнатной температуре.
До сих пор науке было известно 20 кристаллических фаз льда и две аморфные, каждая из которых формируется при определённых сочетаниях давления и температуры.
Новая разновидность появилась на верхней границе зоны активных фазовых переходов, где структуры кристаллов меняются особенно быстро и сложно.

Как удалось зафиксировать Ice XXI

Главным инструментом в эксперименте стала динамическая алмазная наковальня (dDAC) — уникальная установка, способная сжимать образцы с огромной скоростью и равномерно по всему объёму.
Ключевое отличие dDAC от обычных наковален — наличие пьезоэлектрических датчиков, которые позволяют в реальном времени измерять давление и отслеживать микроскопические изменения в структуре образца.

В эксперименте использовалась чистая вода, сжатая до 2 ГПа при комнатной температуре.
После формирования фазы VI к работе подключился Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (European XFEL) — одно из самых мощных в мире исследовательских устройств.
С его помощью учёные смогли наблюдать процесс кристаллизации в масштабе микросекунд, что и позволило впервые зафиксировать образование нового типа решётки — Ice XXI.

Особенности структуры

Ice XXI имеет необычную пространственную решётку — крупную и сложную элементарную ячейку в форме плоской равносторонней коробки.
Эта структура не похожа ни на одну из 20 ранее известных фаз и, по словам исследователей, является самой необычной кристаллической формой льда, наблюдавшейся до сих пор.

Значение открытия

Новая фаза льда может помочь создавать новые сверхплотные материалы, а также моделировать условия на других планетах и их спутниках, где давление внутри ледяных слоёв достигает сопоставимых величин.
Открытие также даёт возможность по-новому взглянуть на физику фазовых переходов воды — вещества, которое остаётся источником научных загадок даже в XXI веке.

Учёные из KRISS отмечают, что Ice XXI — это только начало нового направления исследований, способного объединить физику высоких давлений, материаловедение и планетологию в поиске ещё не открытых состояний привычных веществ.