Ученые получили минимально возможный кристалл льда

В разных условиях вода может образовывать кристаллы разного размера, формы и симметрии. Однако обычный лед, с которым мы имеем дело в жизни, практически весь относится к разновидности Ih. Он стабилен в широком диапазоне температур и давлений и формирует кристаллы с гексагональной — шестисторонней — симметрией.

Их образование начинается в воздухе, из микроскопических кластеров воды, оказавшихся на холоде: кристаллизовавшиеся крошечные зародыши быстро вырастают до полноценных снежинок и выпадают вниз. Процесс зарождения будущей ледяной снежинки особенно интересен: какой минимальный объем воды требуется для появления кристаллического зародыша? Из двух или даже десяти молекул его не сложишь, а существующие оценки дают разброс от нескольких десятков до нескольких сотен молекул.

Такие выводы получены во время экспериментов с переохлажденной жидкостью, в которой и наблюдалось образование кристаллов, однако эти условия, очевидно, сильно отличаются от происходящего в естественной среде — в воздухе. Не дает однозначных результатов и компьютерное моделирование этого процесса. Поэтому Томас Цойх (Thomas Zeuch) и его коллеги попробовали скомбинировать новые технологии моделирования с совершенно новыми экспериментами.

В опытах ученые использовали контролируемый пучок молекул воды и инертного газа аргона, пропуская его сквозь 60-микрометровое отверстие форсунки. Вырываясь из нее, смесь проходила сквозь области последовательно понижающейся температуры, охлаждаясь намного медленнее и осторожнее, чем в предыдущих экспериментах. Температура постепенно падала до минус 123 °С, а инфракрасный спектр позволил ученым регистрировать момент перехода жидкости в твердую фазу.

В статье, опубликованной в журнале PNAS, ученые сообщают, что минимальное количество молекул, из которых начинает образовываться зародыш кристалла, составляет примерно от 90 до 150 штук. Такой кластер молекул воды — «нанокапля» — будет иметь диаметр всего около двух нанометров, в миллион раз меньше, чем снежинка, которая из него вырастет.