Тонкий лед: кристаллический минимализм
На первый взгляд, эта научная задачка больше похожа на какой-то дзенский коан: «Сколько молекул воды потребуется, чтобы получить самый мелкий из возможных кристаллов льда»?
На самом деле, тут есть над чем подумать не только буддисту, но и ученому. Кристалл должен по определению иметь повторяющуюся трехмерную решетку из частиц, так что просто взять и случайным образом соединить несколько молекул воды не получится. Необходимо, чтобы между ними возникли совершенно определенные связи, и чтобы структура в целом обладала всеми свойствами ледяного кристалла.
В жидкой воде сравнительно слабые водородные связи между ее молекулами приводят к появлению неупорядоченных кластеров (на иллюстрации слева), которые при замерзании в лед формируют более просторную и упорядоченную структуру (фрагмент в правой части иллюстрации). Такая структура упакована не так плотно, как кластеры жидкой воды, и в результате лед плавает на ее поверхности. Но все-таки, сколько молекул минимум потребуется, чтобы ее получить?
Чтобы найти эту цифру, немецкие ученые под руководством профессора Удо Бака (Udo Buck) с помощью ИК-лазера изучали поведение кластеров, состоящих из различного количества молекул воды, от 80-ти до 500. Количество энергии лазерного луча, которое на длинах волн 2,63-3,57 мкм поглощает такая структура, позволяет отслеживать длину водородных связей между входящими в нее атомами кислорода и водорода. А пик поглощения на 3,125 мкм скажет о том, что структура стала полноценным льдом.
Соответствующий пик в экспериментах возникал лишь в тех случаях, когда структура насчитывала минимум 275 молекул воды. Именно это число способно образовать минимально возможный кристалл льда — размеры его составят всего 1-3 нм в поперечнике.
Источник: http://www.popmech.ru/article/11773-tonkiy-led/
Расскажите о нас друзьям
