Исследователи из Германии заявляют, что кристаллы льда должны состоять как минимум из 275 молекул воды. Такие предельные размеры для любого процесса, в котором могут участвовать частички льда – от формирования облаков до приготовления коктейлей со льдом.

Для определения минимально возможных размеров кристаллов льда исследователи из Германии под руководством Томаса Цойха (Thomas Zeuch) из Университета Геттингена изучали кластеры воды различного размера с помощью масс-спектрометрии и ИК-спектроскопии. Масс-спектрометрию применяли для определения числа молекул воды в каждом кластере, это число изменялось в пределах от 85 до 475, спектроскопия ИК применялась для определения строения каждого из кластеров.

Рис. 1. Гексагональная структура, характерная для
льда, начинает формироваться тогда, когда между
собой связываются 275 молекул воды. (Рисунок из Science,
2012, 337, 1529 (DOI: 10.1126/science.1225468)).

Ранее исследовательские группы уже пытались использовать комбинацию масс-спектрометрии и ИК спектроскопии для изучения таких малых кластеров воды, но эти попытки были безуспешны. Исследователям из группы Цойха удалось решить задачу за счет того, что они легировали поверхность водных кластеров атомами натрия. Эти атомы способствовали ионизации кластеров виды для анализа их методом масс-спектрометрии, Но то, что они располагались только на поверхности, они не менял строение кластеров, которое могло быть определено с помощью ИК спектроскопии.

ИК-спектроскопия регистрирует особые частоты колебаний, поглощаемые химическими связями в молекулах – связи О–Н в жидкой воде поглощают при одной частоте, в то время как частота колебания связей О–Н в кристалле льда незначительно, но отличается.

Таким образом,

исследователи из группы Цойха просто искали минимальный по размеру кластер воды, сигналы которого в спектре ИК соответствовали сигналам льда. Было обнаружено, что в спектре ИК сигнал жидкой воды меняется сигналом льда при наличии в кластере 275 молекул. Образование такого кластера свидетельствует о начале кристаллизации воды, которая в большей или меньшей степени завершается тогда, когда образуются кластеры, содержащие по 475 молекул воды.

Цойх поясняет, что исследователи из его группы определили, когда происходит начало кристаллизации, сколько молекул воды объединяется, когда внутренний кластер становится кристаллическим – для этого нужно 277 молекул воды. По мере прибавления к этому ядру дополнительных молекул воды происходит рост кристаллического кластера, и, увеличившись до 475 молекул, кластер превращается в нанокристалл. Таким образом,

исследователи построили полную картину постепенного перехода от аморфного льда к кристаллическому льду.

Меньшие по размеру кластеры не могут кристаллизоваться в лед, поскольку молекулам, объединенным в эти кластеры, просто не хватает пространства для того, чтобы принять положение, необходимое для того, чтобы образовать характерную для льда кристаллическую решетку, основой которой являются шестичленные циклы образованные молекулами воды, связанными с помощью водородных связей. Цойх поясняет, что гексагональный кристалл льда должен быть большим по объему и, следовательно, для его образования требуется определенное, критическое количество молекул воды.

Кристоф Зальцманн (Christoph Salzmann) специалист по физической химии кристаллических материалов отмечает, что исследование Цойха не только ценно в плане построения теоретических моделей кристаллизации воды, но и вносит большой вклад в разработку экспериментальных методовизучения твердого тела.