Хотя человечество давно изучает лед, до сих пор никому не удавалось напрямую наблюдать за молекулами воды в процессе замерзания. Причина в том, что способы визуализации отдельных атомов в основном требуют воздействия высоких энергий и вакуума, а это мешает льду сформироваться из воды.
Ученые уже получали изображения льда, на которых видна молекулярная структура, но это был неправильный лед, сформированный сразу из пара. Вода не проходила обычный цикл замерзания-оттаивания на Земле, включающий жидкую фазу.
Международная группа исследователей нашла способ снять замерзание воды в жидкой фазе в молекулярном разрешении. Оказалось, что неожиданная гибкость и пластичность льда позволяет ему не разрушаться от перемещений и преобразований пузырьков газа внутри. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.
Ученые поместили жидкую воду между тонкими углеродными мембранами. Для съемок этого образца они разработали новый метод — криогенную просвечивающую электронную микроскопию жидкой ячейки.
Мембраны защитили кристаллы льда от высокого вакуума и излучения. Благодаря этому физики смогли в деталях рассмотреть, как пузырьки газа образуются, перемещаются через кристаллическую решетку, сливаются с другими пузырями и растворяются во льду.
Оказалось, что когда жидкая вода превращается в твердый лед, дефекты в ее кристаллической структуре или запертые внутри пузыри газа не вызывают значительной деформации кристалла, которая могла бы привести к растрескиванию. Лед приспосабливается к наличию дефекта с удивительной легкостью по сравнению с другими твердыми телами.
«Мы наблюдали, как растворенный газ не только создает полости в кристаллах льда, но и мигрирует, сливается с другими газовыми пузырями и растворяется — поведение, которое возможно только благодаря необычной природе связей во льду. Эта работа открывает совершенно новые возможности для изучения кристаллизации и плавления льда в масштабах, которые еще несколько лет назад было невозможно представить», — сказал Джеймс Де Йорео (James De Yoreo), главный исследователь работы.
Ученые подтвердили свои экспериментальные данные с помощью высокоточной модели молекулярной динамики, разработанной с использованием машинного обучения. Теория и практика сошлись в том, что лед — уникальное твердое тело в плане толерантности к дефектам. Другие кристаллы не могли бы выдержать столько напряжений и включений без ущерба для целостности кристаллической структуры.
Ученые считают, что их открытие поможет сохранять глубоко замороженные криогенные образцы биологических тканей, прогнозировать обледенение самолетов, а также углубит понимание движения ледников.