Учёные обнаружили неожиданную гибкость льда на наноуровне

Кристаллизация жидкой воды для HRTEM. Автор: Nature Communications (2025). DOI:10.1038/s41467-025-62451-0

Учёные из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) Министерства энергетики США сообщили о новом открытии. Оказалось, что даже несмотря на то, что лёд образует идеальную гексагональную решётку, он является удивительно гибким и пластичным. Это объясняет, почему во льду так часто оказываются захваченные пузырьки газа.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Communications, основаны на первых в истории наблюдениях за наноразмерными образцами льда, замороженного из жидкой воды, с молекулярным разрешением.

«Мы наблюдали, как растворённый газ не только создаёт полости в кристаллах льда, но и мигрирует, сливается с другими пузырьками и растворяется — поведение, которое возможно только благодаря необычной природе связей во льду», — сказал ведущий исследователь работы Джеймс Де Йорео. — «Эта работа открывает совершенно новые возможности для изучения кристаллизации и плавления льда в масштабах, немыслимых всего несколько лет назад».

Исследование может иметь важные последствия для сохранения глубоко замороженных биологических образцов, прогнозирования поведения льда для безопасности авиации и транспорта, а также для понимания движения ледников.

«Со льдом связано много загадок, — сказал ведущий автор работы, материаловед PNNL Цзиншань Ду. — Мы хотим понять, как лёд переносит структурные несовершенства в кристалле и как захваченные пузырьки влияют на механические свойства кристалла. Теперь у нас есть способ это понять».

Новый взгляд на лёд

До сих пор никому не удавалось напрямую наблюдать за молекулами воды в момент перехода из жидкости в лёд. Чтобы избежать проблем с традиционными методами, исследовательская группа поместила жидкую воду между тонкими углеродными мембранами, что и стало ключевым фактором для получения изображений. Затем они разработали новый метод — криогенную просвечивающую электронную микроскопию жидкой ячейки — чтобы следить за процессом замерзания.

«Мембраны защищают кристаллы льда от высокого вакуума и излучения, позволяя нам получать изображения с информацией на атомном уровне», — пояснил Ду.

Учёные наблюдали, как пузырьки газа образуются, движутся через кристаллическую решётку, сливаются с другими пузырями и растворяются. Результаты показали, что когда жидкая вода превращается в твёрдый лёд, дефекты в его структуре или захваченные пузырьки газа не вызывают сильной деформации кристалла, которая могла бы привести к растрескиванию. По сравнению с другими твёрдыми телами, такими как металлы или минералы, лёд с удивительной лёгкостью адаптируется к наличию дефекта.

Для подтверждения своих наблюдений учёные PNNL сотрудничали с исследователями из Национальной лаборатории Аргонн и Университета Иллинойса в Чикаго, которые с помощью машинного обучения разработали высокоточную модель молекулярной динамики льда. Сравнения подтвердили, что лёд уникален среди твёрдых тел своей терпимостью к дефектам без ущерба для целостности кристаллической структуры.

Почему пузырьки воздуха во льду важны

В то время как команда PNNL изучает динамику льда в наномасштабе, другие исследователи обнаруживают, что наличие пузырьков воздуха в ледниках сильно влияет на их поведение. Недавно было показано, что ледники с пузырьками тают более чем в два раза быстрее, чем лёд без пузырьков.

Следующими шагами в этом исследовании будут изучение процесса таяния и работа с более сложными образцами, включая воду с растворёнными веществами.