Команда ученых из Национальной лаборатории Ок-Ридж и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе выявила, что при низких температурах и плавном повышении давления формируется не аморфная фаза льда, но кристаллическая решетка типа IX. Свидетельства этого исследователи опубликовали на страницах Nature.

В 1984 году канадские ученые открыли рецепт приготовления аморфного льда: быстро охладить воду до –200 °С и резко повысить давление до 10 кбар. В полученном твердом агрегатном состоянии отсутствует дальний порядок молекул. Предполагают, что именно в таком состоянии вода пребывает в кометах и на некоторых экзопланетах. Всего лед может принимать формы 18 различных кристаллических структур в зависимости от температуры и давления среды. Таким образом, каждая из известных кристаллических форм льда обладает собственным диапазоном стабильности.

Ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж спланировали эксперимент по изучению поведения аморфного льда. Для получения аморфной фазы «тяжелую» воду (получаемую заменой обоих водородов на дейтерий — более тяжелый изотоп водорода) замораживали при –173 °С, постепенно повышая давление раз в полчаса вплоть до 28 тысяч атмосферных давлений на уровне моря.

Регистрируя методом нейтронного рассеяния изменения по ходу процесса, ученые зарегистрировали образование не аморфного льда, но последовательный переход образца через четыре кристаллические формы с увеличением плотности. Процесс начался на льду Ih (обычный кристалл с гексагональной структурой), прошел через лед IX' (тетрагональный метастабильный), лед XV' (псевдоромбический с упорядоченным положением протонов) и закончился на льду VIII' (моноклинный с упорядоченным положением протонов).

Как оказалось, ключевым фактором для наблюдения последовательности событий была низкая скорость повышения давления. При такой скорости аморфная форма имела запас времени, чтобы релаксировать в лед IX'. Таким образом, аморфная форма может образовываться вместо льда IX' только при быстром увеличении давления, и в этом случае обычный лед уже не может превратиться в лед XV'. Так, образование аморфного льда на самом деле является следствием прекращения трансформации между двумя кристаллическими модификациями.