Физики из Окриджской национальной лаборатории (США) и Японского агентства по атомной энергии показали, что сегнетоэлектрический лёд XI может встречаться в космосе чаще, чем предполагалось.

Льдом XI называют низкотемпературную равновесную форму «обычного» гексагонального льда Ih, которая отличается упорядоченным расположением протонов: если у льда Ih атомы кислорода образуют правильную гексагональную решётку, а протоны «распределяются» между двумя возможными позициями на каждой связи O—O, то в случае формы XI протоны также занимают строго определённые положения. За счёт этого лёд XI и приобретает свойства сегнетоэлектрика — диэлектрика, обладающего спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено внешним электрическим полем.

Давно известно, что упорядоченное размещение протонов легко достижимо при высоких давлениях. Если же давление остаётся на атмосферном уровне, протоны льда Ih сохраняют свои начальные свойства даже в условиях чрезвычайно низких температур, поскольку процесс упорядочения идёт очень медленно.

Лабораторный способ превращения льда Ih в форму XI, идея которого заключалась в добавлении гидроксида калия, играющего роль катализатора, был предложен в 1972 году. Пять лет назад группа японских и американских учёных поставила убедительный эксперимент, доказавший, что методика работает, и рост льда XI начинается при 57–62 К. Температуру, необходимую для перехода значительной части образца в форму XI, физики оценили в 57–66 К; появившийся лёд XI, что интересно, сохраняется при любой температуре, не превышающей 72 К.

Температурный диапазон в 57–66 К кажется естественным для космоса, но очень узким. При образовании в таких условиях лёд XI никогда не станет важным фактором формирования планет, хотя электростатические взаимодействия, обусловленные сегнетоэлектрическими свойствами, могли бы сделать его таковым.

В последних экспериментах американо-японской группы был открыт новый эффект, который может способствовать росту объёмов льда XI в космосе. Опыты начинались с выращивания льда XI по описанной выше технологии, после чего образец нагревался до 100 К, возвращаясь в привычное состояние. Затем его снова охлаждали, и здесь, к удивлению учёных, формирование льда XI происходило уже при 72 К.

Такие изменения авторы объясняют тем, что наноразмерные области с упорядоченным расположением протонов выдерживали нагревание, сохраняясь в объёме образца, и стимулировали образование сегнетоэлектрического льда. Подобный «эффект памяти» сохранялся и в том случае, если температуру на первом этапе эксперимента повышали не до 100, а до 111 К.

Полная версия отчёта опубликована в журнале Geophysical Research Letters.

Текст: Дмитрий Сафин