Лед в космосе отличается от кристаллической (высокоупорядоченной) формы льда на Земле. В течение десятилетий ученые предполагали, что он аморфен (без структуры), а более низкие температуры означают, что при замерзании у него недостаточно энергии для образования кристаллов.

В новом исследовании, опубликованном в Physical Review B, исследователи исследовали наиболее распространенную форму льда во Вселенной - аморфный лед низкой плотности, который существует в виде объемного материала в кометах, на ледяных лунах и в облаках пыли, где образуются звезды и планеты.

Они обнаружили, что компьютерное моделирование этого льда лучше всего соответствовало измерениям из предыдущих экспериментов, если лед был не полностью аморфным, а содержал крошечные кристаллы (шириной около трех нанометров, что немного шире одной нити ДНК), встроенные в его неупорядоченные структуры.

В ходе экспериментальной работы они также перекристаллизовали (то есть разогрели) реальные образцы аморфного льда, которые образовались различными способами. Они обнаружили, что конечная кристаллическая структура варьировалась в зависимости от того, как возник аморфный лед. Исследователи пришли к выводу, что если бы лед был полностью аморфным (полностью неупорядоченным), он не сохранил бы никаких следов своей прежней формы.

Ведущий автор доктор Майкл Б. Дэвис, который выполнил эту работу в рамках своей докторской диссертации в Калифорнийском университете по физике и астрономии и Кембриджском университете, сказал: "Теперь у нас есть хорошее представление о том, как выглядит наиболее распространенная форма льда во Вселенной на атомном уровне.

"Это важно, поскольку лед участвует во многих космологических процессах, например, в том, как формируются планеты, как эволюционируют галактики и как материя перемещается по Вселенной".

Полученные результаты также имеют значение для одной спекулятивной теории о том, как зародилась жизнь на Земле. Согласно этой теории, известной как панспермия, строительные блоки жизни были доставлены сюда на ледяной комете, а аморфный лед низкой плотности - материал космического челнока, в котором транспортировались такие ингредиенты, как простые аминокислоты.

Доктор Дэвис сказал: "Наши результаты показывают, что этот лед был бы менее подходящим транспортным материалом для этих молекул происхождения жизни. Это происходит потому, что частично кристаллическая структура имеет меньше места, в которое могли бы внедриться эти ингредиенты.

"Тем не менее, теория все еще может быть верна, поскольку во льду есть аморфные области, где строительные блоки жизни могут быть пойманы в ловушку и сохранены".

Соавтор исследования профессор Кристоф Зальцманн из UCL Chemistry сказал: "Лед на Земле является космологическим курьезом из-за наших высоких температур. Вы можете увидеть его упорядоченную природу в симметрии снежинки.

"Лед в остальной части Вселенной долгое время считался моментальным снимком жидкой воды, то есть неупорядоченным расположением, зафиксированным на месте. Наши результаты показывают, что это не совсем так.

"Наши результаты также поднимают вопросы об аморфных материалах в целом. Эти материалы находят важное применение во многих передовых технологиях. Например, стеклянные волокна, которые передают данные на большие расстояния, для своей работы должны быть аморфными или неупорядоченными. Если они действительно содержат крошечные кристаллы и мы сможем удалить их, это улучшит их производительность".

Для исследования исследователи использовали две компьютерные модели воды. Они заморозили эти виртуальные "коробочки" из молекул воды, охлаждая их до -120 градусов по Цельсию с разной скоростью. Различные скорости охлаждения привели к различному соотношению кристаллического и аморфного льда.

Они обнаружили, что лед, который на 20% состоит из кристаллов (и на 80% из аморфного материала), по-видимому, полностью соответствует структуре аморфного льда низкой плотности, обнаруженной в исследованиях дифракции рентгеновских лучей (то есть, когда исследователи направляют рентгеновские лучи на лед и анализируют, как эти лучи отклоняются).

Используя другой подход, они создали большие "коробки" со множеством маленьких кристалликов льда, тесно прижатых друг к другу. Затем моделирование разупорядочило области между кристаллами льда, достигнув очень похожих структур по сравнению с первым подходом с 25% кристаллического льда.

В ходе дополнительной экспериментальной работы исследовательская группа создала реальные образцы аморфного льда низкой плотности различными способами: от осаждения водяного пара на чрезвычайно холодную поверхность (как лед образуется на пылинках в межзвездных облаках) до разогрева того, что известно как аморфный лед высокой плотности (лед, который имеет был измельчен при чрезвычайно низких температурах).

Затем команда осторожно нагрела этот аморфный лед, чтобы у него была энергия для образования кристаллов. Они заметили различия в структуре льдов в зависимости от их происхождения - в частности, наблюдались различия в пропорции молекул, расположенных в шестикратном (гексагональном) расположении.

По их словам, это было косвенным доказательством того, что аморфный лед низкой плотности содержал кристаллы. Они пришли к выводу, что если бы лед был полностью неупорядочен, то не сохранил бы никакой памяти о своих прежних формах.

Исследовательская группа заявила, что их результаты подняли много дополнительных вопросов о природе аморфных льдов - например, варьировался ли размер кристаллов в зависимости от того, как образовался аморфный лед, и возможен ли по-настоящему аморфный лед.

Аморфный лед был впервые обнаружен в его форме с низкой плотностью в 1930-х годах, когда ученые сконденсировали водяной пар на металлической поверхности, охлажденной до -110 градусов по Цельсию. Его состояние высокой плотности было обнаружено в 1980-х годах, когда обычный лед сжимался при температуре почти -200 градусов по Цельсию.

Исследовательская группа, стоящая за последней работой, базирующаяся как в Калифорнийском университете, так и в Кембриджском университете, обнаружила аморфный лед средней плотности в 2023 году. Было обнаружено, что этот лед имеет ту же плотность, что и жидкая вода (и поэтому не будет ни тонуть, ни плавать в воде).

Соавтор исследования профессор Ангелос Михаэлидис из Кембриджского университета сказал: "Вода является основой жизни, но мы все еще не до конца понимаем это. Аморфные льды могут быть ключом к объяснению некоторых из многочисленных аномалий воды".

Доктор Дэвис сказал: "Лед потенциально является высокоэффективным материалом в космосе. Это могло бы защитить космический корабль от радиации или обеспечить топливом в виде водорода и кислорода. Поэтому нам нужно знать о его различных формах и свойствах".