10. Лед-VII
Фото: Lawrence Livermore National Laboratory
Лед холодный. Но только не лед-VII (он же горячий лед), который на самом деле горячий. Обычный лед, который есть у нас здесь, на Земле, ученые называют «лед Ih». Маленькая «h» в названии означает «шестиугольник», поскольку, когда вода замерзает при нормальном давлении, атомы кислорода выстраиваются в шестиугольную форму. Однако лед Ih становится льдом-II, когда появляется большее давление. Лед-II становится льдом-III, когда прикладывается еще большее давление, и так продолжается дальше, пока лед не станет льдом-VII, где атомы кислорода располагаются в форме куба.
Лед-VII горячий, потому что он образуется только при высокой температуре и давлении. На Земле он теоретически может существовать только глубоко в мантии, где давление достаточно высокое, чтобы сжать обычную воду в лед-VII. Однако он не может формироваться в мантии, потому что высокая температура превратит воду в пар, прежде чем давление сможет превратить ее в лед. Ученые смогли создать лед-VII в лаборатории. Они также обнаружили его в алмазах, сформированных глубоко внутри мантии Земли. Лед сформировался из капель воды, попавших в ловушку в алмазах в то время, когда они только формировались в мантии.
9. Сухая вода
Фото: Ben Carter
Сухая вода получается, если смешать природную воду с оксидом кремния (с помощью специального аппарата). Такая вода выглядит и ведет себя как твердое тело, даже если это на 95 процентов вода. Она представляет собой порошок из похожих на сахар зерен, которые на самом деле являются обычными каплями воды, покрытыми оксидом кремния. Оксид кремния предотвращает соединение капель воды и превращение ее в жидкость.
Впервые сухую воду разработали в 1968 году и в то время использовали в косметике. Скоро все о ней забыли, пока исследователи из Университета Халла (University of Hull), Великобритания, не изобрели ее снова в 2006 году. Ученые считают, что сухую воду можно использовать для поглощения углекислого газа из атмосферы. Это может сработать, учитывая, что сухая вода поглощает в три раза больше углекислого газа, чем обычная вода. Ученые также рассматривают возможность использования ее для хранения и транспортировки вредных химических веществ.
8. Сверхкритическая вода
Вещество входит в сверхкритическое состояние, когда температура и давление настолько высокие, что нет разницы между его жидким и газообразным состояниями. С водой такое случается, когда она переходит из газообразного состояния. Вода переходит в такие состояния: твердое, жидкое, газовое и сверхкритическое. В последнем состоянии вода представляет собой странный пар, который на самом деле не является газом.
Вода достигает своего сверхкритического состояния при 373 градусах Цельсия и давлении 220 Бар. В этом состоянии ее нельзя сжать обратно в жидкость. Сверхкритическая вода (как и другие сверхкритические жидкости) может проходить сквозь твердое тело, как газ, но растворять другие вещества как жидкость.
7. Гидроплазма
Фото: Tyrogthekreeper at English Wikipedia
Gliese 1214 b - странная планета. Он в шесть раз больше Земли и заполнена водой, в том числе и гидроплазмой. То есть водой, находящейся в форме плазмы. Материя в таком состоянии немного похожа на газ. У нее низкая плотность и нет определенной формы или объема - так же, как у газа. Однако, в отличие от газа, в этом случае атомы материи лишаются своих электронов, и положительно заряженные ядра свободно перемещаются. Вот почему некоторые ученые считают плазму электрически заряженной версией газа.
Но вернемся к Gliese 1214 b. Планета находится так близко к своей звезде, что год на ней длится всего 38 часов. Для сравнения, Земля находится в 70 раз дальше от нашего Солнца. Дневная температура на Gliese 1214 b может достигать 282 градусов по Цельсию, что слишком жарко для почти любой формы жизни. Близость Gliese 1214 b к ее звезде является причиной того, что там вода может существовать в виде плазмы. Очень высокая температура звезды и высокое давление планеты заставляют воду нагреваться и сжиматься настолько, что она превращается в плазму. Гидроплазма считается одной из форм сверхкритической воды, о которой мы упоминали ранее.
6. Тройная точка воды
Тройная точка вещества – это условия, при которых твердое, жидкое и газообразное состояния вещества могут существовать в термодинамическом равновесии. Это может произойти только тогда, когда вещество достигает определенной температуры и давления. Для воды такие температура и давление составляют 0,01 °C и 611,66 Паскаля (273,16 градусов Кельвина).
Тройная точка воды используется для определения температуры в градусах Кельвина, для калибровки термометров и установления тройной точки других веществ. Вода в своей тройной точке может быть превращена в твердое вещество, жидкость или газ, простым регулированием давления и температуры.
5. Суперионный лед
Фото: Millot, Coppari, Kowaluk (LLNL)
Суперионный лед, или лед-XVIII, является еще одной формой льда, образующейся при сильном повышении температуры и давления. Он горячий, черный, плотный, и ведет себя как металл. Твердый кубик льда-XVIII в четыре раза тяжелее аналогичного твердого кубика обычного льда. Некоторые ученые считают, что лед-XVIII может быть наиболее распространенной формой воды во Вселенной, существующей на ледяных гигантах, таких как Уран и Нептун. Интересно, что ученые подтвердили существование льда-XVIII только в 2019 году, хотя его это было предсказано еще в 1988 году. В том же году группа ученых обнаружила, что вода может вести себя как металл, если температура и давление станут достаточно высокими. Лед-XVIII образуется только тогда, когда температура составляет тысячи градусов, а давление - миллионы атмосфер.
Ученые подтвердили существование льда-XVIII в ходе эксперимента, в котором они использовали мощные лазеры для создания ударных волн, которые быстро увеличивали температуру и давление капель воды. Ученые заметили, что молекулы водорода и кислорода в воде мгновенно разделились и вода превратилась в кристаллический лед. Молекулы кислорода образовали замороженные, твердые структуры - кубические решетки, в то время как атомы водорода текли вокруг затвердевшего кислорода как жидкость. Некоторые ученые говорят, что этот так называемый «лед» нельзя считать водой, потому что молекулы водорода и кислорода разделены. Они говорят, что в воде молекулы водорода и кислорода должны быть вместе.
4. Аэролед
Аэролед - самая легкая разновидность льда. Он был «обнаружен» в 2017 году во время моделирования исследователями из Университета Окаяма (Okayama University) из Японии, которые проводили эксперимент, чтобы понять, как вода превращается в лед.
Исследовательская группа создала этот лед, когда они попытались выяснить, что происходит, когда вода замерзает в отсутствие давления. Другие виды льда, о которых мы упоминали до сих пор, были созданы, когда вода подвергалась влиянию высокого давления. В моделировании давление было отрицательным.
Ученые «создали» аэролед, удалив из диоксида кремния два атома кислорода, оставив только кремний. Затем они заменили атом кремния атомом кислорода, а потом добавили два атома водорода, чтобы получился лед. Это открытие может быть важным для понимания того, как ведет себя вода в нанотрубках, нанопорах или других местах в космосе.
3. Аморфный лед
Фото: Fausto Martelli et al
Аморфный лед создается из быстро охлаждающейся жидкой воды, когда молекулы не успевают образовать кристаллическую решетку. Не имея упорядоченной кристаллической структуры обычного льда, аморфный лед обычно считают стеклом, это жидкость, движение в которой происходит очень медленно. Аморфный лед не является обычным для Земли, но считается самой распространенной формой воды во Вселенной.
Исследование 2017 года, когда в том числе проводилось компьютерное моделирование аморфного льда, подразумевало, что стекло может является третьим состоянием между кристаллическим и жидким. Смоделированный аморфный лед продемонстрировал беспорядочную гиперуниформность, в которой порядок прослеживается в больших масштабах, но отсутствует на небольших.
2. Горящий лед
Фото: US Geological Survey
Гидрат метана - это своего рода лед, который действительно может гореть - вы можете поджечь его, как лист бумаги. Лед, о котором идет речь, содержит метан. Он естественным образом образуется на определенных глубинах океана, в вечной мерзлоте и даже в нефти и газопроводах, где может вызвать закупорку. Он был обнаружен еще в 1930-х гг. Горящий лед начинает формироваться с сжатого и замороженного метана. Замороженный метан вскоре покрывается льдом, формируя горящий лед. Ученые считают этот лед возможным претендентом на роль источника топлива, полагая, что в нем содержится много метана. Из кубометра горящего льда может высвобождаться 160 кубометров метана. Это топливо более чистое, чем уголь.
К сожалению, многие страны не могут заменить уголь горящим льдом, потому что его трудно добывать под водой. Кроме того, на поверхности он становится нестабильным. Ученые говорят, что горящий лед может сослужить дурную службу и ускорить изменение климата. Такое может произойти, когда гидрат метана из вечной мерзлоты расплавится и выпустит метан в атмосферу.
1. Квантовая вода
Фото: Jeff Scovil/Oak Ridge National Laboratory
В 2016 году ученые из Национальной лаборатории Oak Ridge Министерства энергетики США создали новое квантовое состояние воды. Это открытие они сделали, «сжимая» молекулы воды между шестиугольными кристаллами берилла. Сильное сжатие увеличило давление настолько, что атомы молекул воды стали неровными, и в этот момент вода перестала вести себя как того требуют ряд физических законов. Молекулы стали способными проходить через барьеры на атомном уровне – это поведение объясняется квантовой механикой и называется «туннелированием».
Такое поведение возможно только тогда, когда вещество находится в квантовом состоянии. Ученые считают, что вода часто переходит в него, чтобы течь через очень узкие пространства в скалах, почве и даже в стенках живых клеток.