Как формируются самые маленькие снежинки

Группа ученых решила ранее неразгаданную научную загадку, обнаружив минимальное количество молекул воды, которые должны собраться вместе, чтобы они смогли сформировать настоящий кристалл льда.

Кристаллы льда также имеют небольшие начала — даже меньшие, чем считалось ранее. Уже 475 молекул воды могут образовать настоящую кристаллическую структуру; Первые попытки могут быть обнаружены с 275 молекулами и выше, как показало сотрудничество ученых из Геттингена и Праги. Ранее считалось, что около 1000 молекул — это минимум, необходимый для полного кристалла. Новый нижний предел для кристаллов льда был определен исследователями, работавшими с Томасом Цойхом из Геттингенского университета в эксперименте, разработанном Удо Баком из Института динамики и самоорганизации Макса Планка в Геттингене.

В основе идеального кристалла: вода кристаллизуется с шестикратной симметрией, которую можно увидеть в каждой снежинке. Эта структура образуется уже в кластерах воды с 475 молекулами, которые совсем не похожи на снежинку. © Научная фотобиблиотека.

Для нас нет ничего более естественного, чем поведение воды. Это включает в себя то, что мы, возможно, испытали летом — давно забытая бутылка с водой в морозильной камере разбивается. «Однако на самом деле это очень необычно». Удо Бак по-прежнему с энтузиазмом относится к этому после долгой карьеры ученого: «Как ни странно, вода — одно из немногих известных нам веществ, которое в твердом состоянии занимает больший объем, чем в жидком». Руководитель исследовательской группы Института динамики и самоорганизации Макса Планка в Геттингене добился новаторского результата, создав мельчайший кристалл водяного льда. Его соавторы, в том числе группа Томаса Цойха из Института физической химии Геттингенского университета и исследователь из Технического университета в Праге,

Команда теперь решила ранее нерешенную научную загадку, а именно вопрос о минимальном количестве молекул воды, которые должны собраться вместе, чтобы они могли сформировать настоящий кристалл льда. «Все начинается с 275 молекул воды, — удивительно точный ответ Бака, — а кристалл полностью сформирован, когда в нем 475 молекул». Бак добавляет, что это довольно неожиданно, потому что на сегодняшний день наука предположила, что минимальный размер кластера составляет около 1000 молекул воды. Физики и физико-химики называют конгломераты нескольких, еще считаемых молекул, кластерами. Свойства этих наноструктур находятся между свойствами отдельных молекул и миром больших твердых тел, с которыми можно обращаться и которые состоят из многих миллиардов молекул.

Лучшее понимание процесса кристаллизации помогает исследователям климата

Однако сотрудничество в Геттингене не исследует образование льда из жидкой воды. Их открытие дает представление о процессах, посредством которых водяной пар конденсируется непосредственно в крошечные кристаллы льда при низких температурах. «Эти процессы играют важную роль в верхних слоях атмосферы, — подчеркивает Бак, — а также в нашей планетной системе». Новое открытие может также помочь исследованиям климата в улучшении моделей атмосферы. Итак, что именно выяснили исследователи?

В кристаллах льда молекулы воды образуют шестигранную или шестиугольную, если использовать научный термин, пространственную решетку. Каждая молекула воды образует химические связи, так называемые водородные связи, с четырьмя соседними молекулами. Эта сотовая кристаллическая решетка водяного льда требует больше места, чем жидкая вода, что необычно. Пока кластеры воды не достигли минимального размера для кристалла, эксперимент Геттингена ставит их перед дилеммой. Эксперименты проводятся при температуре от минус 180 до минус 150 градусов по Цельсию — поэтому молекулы слишком холодные для жидкости. Однако для кристалла их все еще слишком мало. Крошечные кластеры выходят из этого затруднительного положения, образуя жидкость, которая свертывается на холоду: они образуют довольно неупорядоченную, «аморфную» пространственную решетку.

Если кластер теперь вырастет, молекулы воды в его ядре могут на каком-то этапе превратиться из неупорядоченной химической игры в кристаллическую структуру, когда каждая из них берет четырех соседей химической рукой. Таким образом, 275 молекул воды создают первые зародыши настоящего кристалла льда с гексагональной структурой внутри кластера. Начнем с того, что эта конструкция еще немного деформирована; однако по мере увеличения размера кластера эта внутренняя часть становится хорошо упорядоченным кристаллом льда, в то время как внешние слои остаются аморфными. «Когда имеется 475 молекул, само ядро уже идеально», — говорит Бак.

Кристаллическая структура проявляется в колебаниях молекул

Ученые смогли получить такое представление о формировании кристаллов льда только с помощью сложного эксперимента. Обычно ученые сканируют кристаллы с помощью рентгеновских лучей, которые дифрагируют на решетках. Это создает характерные картины излучения, которые предоставляют информацию о структуре решеток.

• Проблема заключалась в том, что эти сигналы были слишком слабыми для точного исследования небольших скоплений воды, объясняет Томас Цойх. Напротив, колебание между атомом кислорода и атомом водорода в молекуле дает гораздо более сильный сигнал.
• Частота этой молекулярной вибрации находится в инфракрасном диапазоне, то есть в длинноволновом свете, и прибор измеряет эффект этого излучения. Важным здесь является то, что инфракрасный сигнал значительно смещается из-за образования водородных связей между атомом водорода одной молекулы и атомом кислорода другой, как только образуется гексагональная кристаллическая решетка.
• Это отпечаток настоящего водяного льда, который исследователям впервые удалось обнаружить в скоплениях из нескольких сотен молекул воды.

Однако так называемая инфракрасная спектроскопия таких малых кластеров работает только с некоторыми уловками. Первоначально эксперимент производит отдельные холодные кластеры. Затем кластеры летят со скоростью, превышающей скорость звука, через камеру, в которой каждый собирает по одному отдельному атому натрия. Затем они летят около 240 микросекунд (миллионных долей секунды) до фактического измерения. Присоединенный атом натрия чрезвычайно важен для этого, объясняет Томас Цойх, поскольку он позволяет кластерам желаемого размера, например, 275 молекулам воды, мягко ионизоваться, сортировать с помощью электрического поля и специально измерять.

Следующие эксперименты выяснят, как кристаллизуются другие вещества

Атом натрия в водном кластере выполняет и вторую, довольно сложную функцию. «Он действует как разновидность фотобумаги», — говорит Цойх, чтобы проиллюстрировать его роль. «Сначала мы облучаем кластеры, содержащие атом натрия, инфракрасным светом», — говорит физико-химик. «Затем мы« проявляем »его с помощью лазерного импульса ультрафиолетового света». Атом натрия, конечно, не обеспечивает пространственную фотографию с помощью этой комбинации лазерного света разных частот: вместо этого он обеспечивает инфракрасный спектр крошечного кластера воды. Этот решающий трюк стал прорывом.

Удо Бак разработал фундаментальный принцип эксперимента в Институте динамики и самоорганизации Макса Планка. Сегодня аппарат находится у Томаса Цойха в Геттингенском университете. Ученые из этой группы получили теоретическую поддержку из Праги, поскольку они продолжали ее развивать, пока не стало возможным исследовать кластеры, состоящие из нескольких сотен молекул воды. Теперь исследователи хотят экспериментально исследовать кристаллизацию других веществ, а также их поверхностные свойства — с точностью до одной молекулы, где это возможно. Еще одна причина, по которой Цойх так увлечен новой экспериментальной процедурой, заключается в том, что ее можно применять не только к кластерам воды. Это открывает совершенно новое поле для экспериментов.

Источник

Метки: Материаловедение