Kosmički led je manje kao voda nego što se mislilo

Kosmički led sadrži sićušne kristale i nije potpuno neuređen materijal poput tečne vode, kako je ranije smatrano, kaže nova studija sa Londonskog univerzitetskog koledža i Kembričkog univerziteta.

Led u svemiru je drugačiji od kristalnog (veoma uređenog) oblika leda na Zemlji. Decenijama su naučnici pretpostavljali da je amorfan (bez strukture), s tim da hladnije temperature znače da nema dovoljno energije da formira kristale prilikom zamrzavanja.

Preporučujemo

Istraživači su proučavali najuobičajeniji oblik leda u univerzumu, amorfni led male gustine, koji postoji kao glavni materijal na kometama, na ledenim mesecima i u oblacima prašine gde se formiraju zvezde i planete.

Otkrili su da kompjuterske simulacije ovog leda najviše odgovaraju merenjima iz ranijih eksperimenata ako led nije potpuno amorfan, već sadrži malene kristale (široke oko tri nanometra, malo šire nego jedan lanac DNK) ugrađene u neuređene strukture.

U eksperimentu su ponovo klistalizovani (zagrejani) stvarni uzorci amorfnog leda koji su se formirali na različite načine. Otkriveno je da finalna kristalna struktura varira zavisno od nastanka amorfnog leda. Ako je led potpuno amorfan (potpuno neuređen), ne bi se zadržao nikakav trag ranijeg oblika.

„Sad dobro shvatamo kako najuobičajeniji oblik leda u univerzumu izgleda na atomskom nivou“, kažu naučnici. „To je važno zato što je led uključen u mnoge kosmološke procese, npr. u formiranje planeta, evoluciju galaksija i kretanje materije po univerzumu“.

Nalazi studije takođe imaju implikacije po jednu spekulativnu teoriju o početku života na Zemlji. Ta teorija, poznata kao Panspermija, kaže da su gradivni blokovi života doneti ovde na ledenoj kometi, sa amorfnim ledom male gustine, u kome su sastojci poput jednostavnih aminokiselina transportovani.

„Naši nalazi sugerišu da bi taj led bio manje dobar transportni materijal za te molekule nastanka života. Tako je zato što delimično kristalna struktura ima manje prostora u koji se ti sastojci mogu ugraditi. Teorija bi ipak mogla biti tačna pošto postoje amorfne oblasti u ledu gde bi gradivni blokovi života mogli biti zarobljeni i smešteni“.

Led na Zemlji je kosmološki kuriozitet zbog naših toplih zemperatura. Možete videti njegovu uređenu prirodu u simetriji snežne pahulje. Led u ostatku univerzuma se dugo smatra slikom tečne vode – neuređenog rasporeda fiksiranog u prostoru. Nalazi pokazuju da to nije sasvim tačno.

„Naši rezultati takođe postavljaju pitanja o amorfnim materijalima generalno. Ovi materijali imaju važne upotrebe u razvijenoj tehnologiji: na primer, staklena vlakna koja prenose podatke na velike distance moraju biti amorfna, ili neuređena, radi svog funkcionisanja. Ako sadrže malene kristale i možemo da ih uklonimo, to će poboljšati njihov učinak“, kažu naučnici.

Istraživači su koristili dva kompjuterska modela vode. Zamrzli su virtuelne „pakete“ molekula vode hladeći ih do -120 stepeni Cejzijusovih različitim brzinama. Različite brzine hlađenja dovele su do različitih proporcija kristalnog i amorfnog leda.

Izgleda da je led koji je bio do 20% kristalni (i 80% amorfni) vrlo odgovarao strukturi amorfnog leda male gustine kao u studijama difrakcije X-zraka (gde istraživači ispaljuju X-zrake na led i analiziraju kako se ti zraci prelamaju).

Koristeći drugačiji pristup, napravljena su velika „pakovanja“ sa mnogo malih ledenih kristala zbijenih tesno. Simulacija je zatim stvorila nered u oblastima između ledenih kristala, postižući vrlo slične strukture kao prvi pristup sa 25% kristalnog leda.

U dodatnom eksperimentalnom radu, istraživači su kreirali stvarne uzorke amorfnog leda male gustine na niz načina, od polaganja vodene pare na ekstremno hladnu površinu (tako se led formira na zrncima prašine u međuzvezdanim oblacima) do zagrevanja amorfnog leda velike gustine (leda koji je smrskan na ekstremno hladnim temperaturama).

Onda je taj amorfni led blago zagrejan tako da ima energiju da formira kristale. Primećene su razlike u strukturi leda zavisno od porekla – posebno je postojala varijacija u proporciji molekula u šestostrukom (heksagonalnom) sklopu.

Bio je to indirektan dokaz da amorfni led male gustine sadrži kristale. Da je bio u potpunom neredu, led ne bi zadržao nikakve tragove svojih ranijih oblika, zaklučili su istraživači.

Foto: Solid State, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Nalazi studije pokreću brojna dodatna pitanja o prirodi amorfnog leda. Na primer, da li veličina kristala varira zavisno od načina formiranja amorfnog leda i da li je zaista amorfan led moguć?

Amorfni led je otkriven u obliku sa malom gustinom u 1930-im kad su naučnici kondenzovali vodenu paru na metalnoj površini ohlađenoj na -110 stepeni Celzijusovih. Njegovo stanje velike gustine otkriveno je u 1980-im kad je obični led kompresovan na temperaturi od skoro -200 stepeni.

Istraživački tim sa Londonskog univerzitetskog koledža i Kembričkog univerziteta otkrio je amorfni led srednje gustine 2023. godine. Taj led ima istu gustinu kao tečna voda (i stoga ne bi ni tonuo ni plutao u vodi).

„Voda je temelj života, ali je još ne razumemo potpuno. Amorfni led je možda ključ za objašnjenje nekih od mnogo anomalija vode“, kažu autori studije.

Led je potencijalno materijal sa velikim učinkom u svemiru. Može da štiti svemirske letelice od zračenja ili obezbeđuje gorivo u obliku vodonika i kiseonika. Tako da treba da razumemo njegove razne oblike i osobine.

(Telegraf Nauka/Phys.org)