«Космический лёд» оказался менее похож на воду, чем считалось ранее

Визуализация структуры низкоплотного аморфного льда. Множество крошечных кристаллитов (белые) скрыты в аморфном материале (синий). Автор: Майкл Б. Дэвис, UCL и Кембриджский университет

«Космический лёд» содержит микроскопические кристаллы и не является полностью неупорядоченным материалом, как жидкая вода, как предполагалось ранее. К такому выводу пришли учёные из Университетского колледжа Лондона (UCL) и Кембриджского университета в новом исследовании.

Лёд в космосе отличается от кристаллической (высокоупорядоченной) формы льда на Земле. Десятилетиями учёные считали его аморфным (лишённым структуры), полагая, что из-за крайне низких температур у него недостаточно энергии для формирования кристаллов при замерзании.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review B, учёные изучили наиболее распространённую форму льда во Вселенной — низкоплотный аморфный лёд. Он составляет основу вещества комет, ледяных лун и пылевых облаков, где формируются звёзды и планеты.

Компьютерное моделирование показало, что результаты лучше всего соответствуют экспериментальным данным, если лёд не полностью аморфен, а содержит крошечные кристаллы (около 3 нанометров в ширину — чуть больше, чем одинарная цепочка ДНК), встроенные в его неупорядоченную структуру.

«Теперь у нас есть чёткое представление о том, как выглядит самая распространённая форма льда во Вселенной на атомном уровне», — заявил ведущий автор исследования доктор Майкл Б. Дэвис.

Открытие также ставит под сомнение одну из теорий происхождения жизни на Земле — панспермию. Согласно этой гипотезе, «кирпичики жизни» могли быть доставлены на нашу планету ледяной кометой, где низкоплотный аморфный лёд служил «транспортным материалом» для простых аминокислот.

«Наши данные показывают, что такой лёд был бы менее подходящим носителем для молекул, связанных с происхождением жизни, поскольку частично кристаллическая структура оставляет меньше места для их внедрения», — пояснил Дэвис.

Соавтор исследования профессор Кристоф Зальцманн отметил, что открытие ставит под вопрос представления об аморфных материалах в целом, которые широко используются в современных технологиях — например, в оптоволокне для передачи данных.

Учёные использовали два компьютерных моделирования воды, «замораживая» виртуальные «ящики» с молекулами при -120°C с разной скоростью. Оказалось, что лёд с содержанием кристаллов до 20% наиболее точно соответствует структуре низкоплотного аморфного льда, наблюдаемого в рентгеновских исследованиях.

Дополнительные эксперименты с реальными образцами льда подтвердили, что его структура сохраняет «память» о способе формирования — что невозможно при полностью аморфном состоянии.

Исследователи отмечают, что их работа поднимает новые вопросы о природе аморфных льдов, включая возможность существования полностью аморфной формы.

Низкоплотный аморфный лёд впервые обнаружили в 1930-х годах, а его высокоплотную форму — в 1980-х. В 2023 году та же команда учёных открыла среднетплотный аморфный лёд, который имеет ту же плотность, что и жидкая вода.

«Вода — основа жизни, но мы до сих пор не до конца понимаем её. Аморфные льды могут помочь объяснить многие её аномалии», — добавил соавтор работы профессор Ангелос Майклэйдс из Кембриджского университета.

Подробнее: Physical Review B (2025).

Источник: University College London