Naukowcy odkryli ukrytą strukturę wewnątrz najpowszechniej występującego lodu we Wszechświecie, który można znaleźć na kometach, księżycach i w pyle międzygwiezdnym.
To, co uważano za bezkształtny i „amorficzny” lód, jest w rzeczywistości pokryte maleńkimi kryształkami, z których każdy ma szerokość nici DNA. Kryształki te mogą zmienić nasze rozumienie powstawania planet, ruchu materii w galaktykach, a nawet teorię, że elementy składowe życia dotarły na Ziemię zamrożone w kometach. To odkrycie ponownie otwiera pytania dotyczące lodu, wody i tego, jak mogło powstać życie.
Lód kosmiczny nie jest całkowicie nieuporządkowany
Lód kosmiczny zawiera maleńkie kryształki i nie jest, jak wcześniej zakładano, całkowicie nieuporządkowanym materiałem, takim jak woda w stanie ciekłym, według nowego badania przeprowadzonego przez naukowców z University College London i Uniwersytetu Cambridge.
Lód w kosmosie różni się od krystalicznej (wysoce uporządkowanej) formy lodu na Ziemi. Przez dziesięciolecia naukowcy zakładali, że lód jest amorficzny (bez struktury), a niższe temperatury oznaczają, że nie ma wystarczającej ilości energii, aby tworzyć kryształy po zamarznięciu.
W nowym badaniu, opublikowanym w Physical Review B, naukowcy zbadali najpowszechniejszą formę lodu we Wszechświecie – lód amorficzny o niskiej gęstości, który stanowi główny budulec komet, lodowych księżyców i obłoków pyłu, w których powstają gwiazdy i planety.
Odkryli, że symulacje komputerowe tego lodu najlepiej odpowiadały pomiarom z poprzednich eksperymentów, jeśli lód nie był w pełni amorficzny, ale zawierał drobne kryształki (o szerokości około trzech nanometrów, nieco szersze niż pojedyncza nić DNA) osadzone w jego nieuporządkowanych strukturach.
W ramach prac eksperymentalnych naukowcy rekrystalizowali (tj. podgrzewali) rzeczywiste próbki lodu amorficznego, które powstały w różny sposób. Odkryli, że ostateczna struktura krystaliczna różniła się w zależności od tego, w jaki sposób powstał lód amorficzny. Gdyby lód był całkowicie amorficzny (całkowicie nieuporządkowany), doszli do wniosku naukowcy, nie zachowałby żadnego śladu swojej wcześniejszej formy.
Wizualizacja struktury amorficznego lodu o niskiej gęstości. Wiele drobnych kryształków (białych) jest ukrytych w materiale amorficznym (niebieskim). Źródło: Michael B. Davies, UCL i Uniwersytet Cambridge
Dlaczego to ma znaczenie dla Wszechświata
Jest to istotne, ponieważ lód bierze udział w wielu procesach kosmologicznych, na przykład w procesie powstawania planet, ewolucji galaktyk i ruchu materii we Wszechświecie.
Odkrycia te mają również implikacje dla jednej spekulatywnej teorii dotyczącej powstania życia na Ziemi. Zgodnie z tą teorią, znaną jako panspermia, budulec życia został tu przeniesiony na lodowej komecie, a materiał wahadłowca kosmicznego, w którym transportowane były składniki, takie jak proste aminokwasy, stanowił lód amorficzny o niskiej gęstości.
Kryształy i zagadka panspermii
Aktualne odkrycia sugerują, że lód ten byłby mniej dobrym materiałem transportowym dla tych cząsteczek pochodzenia życia. Dzieje się tak, ponieważ częściowo krystaliczna struktura ma mniej miejsca, w którym te składniki mogłyby się osadzić.
Teoria ta może jednak nadal być prawdziwa, ponieważ w lodzie znajdują się obszary amorficzne, w których budulec życia mógłby zostać uwięziony i zmagazynowany.
Jak zauważają naukowcy, lód na Ziemi jest kosmologiczną ciekawostką ze względu na panujące tam wysokie temperatury. Jego uporządkowaną naturę można dostrzec w symetrii płatka śniegu. Lód w pozostałej części Wszechświata od dawna uważany jest za nieuporządkowany, niezmienny układ. Obecne odkrycia pokazują, że nie do końca jest to prawdą.
To udoskonalone zdjęcie Ganimedesa, księżyca Jowisza, zostało wykonane przez kamerę JunoCam na pokładzie sondy kosmicznej NASA Juno podczas przelotu obok lodowego księżyca 7 czerwca 2021 roku. Dane z tego przelotu zostały wykorzystane do wykrycia obecności soli i substancji organicznych na Ganimedesie. Źródło: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kalleheikki Kannisto © CC BY
Zamrażanie wirtualnej wody: Symulacje komputerowe
W swoich badaniach naukowcy wykorzystali dwa komputerowe modele wody. Zamrozili te wirtualne „pudełka” cząsteczek wody, schładzając je do -120 stopni Celsjusza w różnym tempie. Różne tempo schładzania prowadziło do różnych proporcji lodu krystalicznego i amorficznego.
Stwierdzili, że lód, który składał się w 20% z kryształów (i w 80% z amorfizmu), wydawał się ściśle odpowiadać strukturze lodu amorficznego o niskiej gęstości, uzyskanej w badaniach dyfrakcji rentgenowskiej (czyli takich, w których naukowcy emitują promienie rentgenowskie na lód i analizują, jak promienie te są odchylane).
Stosując inną metodę, stworzyli duże „pudełka” z wieloma małymi kryształkami lodu ściśle ze sobą ściśniętymi. Symulacja następnie spowodowała zaburzenie obszarów pomiędzy kryształkami lodu, czego efektem były struktury bardzo podobne do tych uzyskanych w pierwszym podejściu z lodem zawierającym 25% kryształów.
W ramach dodatkowych prac eksperymentalnych zespół badawczy stworzył rzeczywiste próbki lodu amorficznego o niskiej gęstości na wiele sposobów, od osadzania pary wodnej na ekstremalnie zimnej powierzchni (jak lód formuje się na ziarnach pyłu w obłokach międzygwiazdowych) po podgrzewanie tego, co nazywa się lodem amorficznym o wysokiej gęstości (lodem skruszonym w ekstremalnie niskich temperaturach).
Następnie zespół delikatnie podgrzał te amorficzne lody, aby uzyskać energię potrzebną do utworzenia kryształów. Naukowcy zauważyli różnice w strukturze lodu w zależności od jego pochodzenia – konkretnie, występowały różnice w proporcjach cząsteczek ułożonych w układzie sześciokrotnym (heksagonalnym).
Stwierdzili, że jest to pośredni dowód na to, że lód amorficzny o niskiej gęstości zawiera kryształy. Stwierdzili, że gdyby był całkowicie nieuporządkowany, nie zachowałby żadnej pamięci o swoich wcześniejszych formach.
Tajemnica wody może kryć się w lodzie
Zespół badawczy stwierdził, że ich odkrycia rodzą wiele dodatkowych pytań dotyczących natury lodu amorficznego – na przykład, czy rozmiar kryształów zmieniał się w zależności od sposobu formowania się lodu amorficznego i czy prawdziwie amorficzny lód był w ogóle możliwy.
Lód amorficzny został po raz pierwszy odkryty w formie o niskiej gęstości w latach 30. XX wieku, kiedy naukowcy skroplili parę wodną na powierzchni metalu schłodzonej do -110 stopni Celsjusza. Jego stan o wysokiej gęstości został odkryty w latach 80. XX wieku, kiedy zwykły lód został ściśnięty do temperatury prawie -200 stopni Celsjusza.
Woda jest podstawą życia, ale wciąż nie do końca ją rozumiemy. Lody amorficzne mogą być kluczem do wyjaśnienia niektórych z licznych anomalii wody – mówi profesor Angelos Michaelides.
Lód jest potencjalnie wysokowydajnym materiałem w kosmosie. Mógłby chronić statki kosmiczne przed promieniowaniem lub dostarczać paliwo w postaci wodoru i tlenu. Dlatego musimy poznać jego różne formy i właściwości – dodaje dr Michael Benedict Davies.
Więcej informacji: publikacja „Low-density amorphous ice contains crystalline ice grains” autorów Michael Benedict Davies i in., 2025, Physical Review B.
DOI: 10.1103/PhysRevB.112.024203
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Wizja artystyczna kosmicznego lodu. Źródło: SciTechDaily.
