Najnowsze badania pokazują, iż lód potrafi przystosować się do pęcherzyków powietrza bez utraty swojej struktury. Odkrycie może wpłynąć na nasze codzienne życie, bo być może będzie można opracować nowe technologie antyoblodzeniowe.
Z pozoru kruche i delikatne kryształy lodu okazują się być bardziej wyrafinowane, niż moglibyśmy przypuszczać. Najnowsze badania wykazały, iż lód potrafi zachowywać spójność strukturalną choćby wtedy, gdy w jego wnętrzu tworzy się cała sieć mikroskopijnych pęcherzyków powietrza.
Kryształowa elastyczność
Chociaż lód kojarzy się nam głównie z kruchością i podatnością na pękanie, rzeczywistość okazuje się znacznie bardziej złożona. W przełomowym eksperymencie zespół naukowców z Pacific Northwest National Laboratory wykazał, iż choćby w warunkach powstawania drobnych defektów, takich jak pęcherzyki gazu, struktura lodu pozostaje zadziwiająco stabilna.
Obserwacje przeprowadzone w skali nanometrycznej ujawniły, iż w trakcie zamarzania powietrze może zamykać się w kryształach, tworząc maleńkie bąbelki. Co jednak zaskakujące, kryształ nie pęka, nie deformuje się, a wręcz dopasowuje się do nowo powstałych struktur. To niespotykana cecha wśród ciał stałych, takich jak metale czy ceramiki.
Nanofilm, który zmienia wszystko
Aby uzyskać obraz tak delikatnego materiału, badacze opracowali wyjątkową metodę. Kroplę wody zamknięto między dwiema cienkimi membranami z węgla, po czym zamrożono w temperaturze -180°C. Uzyskany w ten sposób kryształ lodu miał zaledwie kilkaset nanometrów grubości.
Następnie całą strukturę przeniesiono do komory próżniowej i poddano obrazowaniu przy użyciu mikroskopu transmisyjnego. Seria szybkich zdjęć ujawniła w czasie rzeczywistym narodziny, ruch, łączenie i rozpad pęcherzyków w lodzie. Przez ten cały czas pozostał on jednym, ciągłym kryształem.
Przewagę daje tutaj chemia
Na poziomie atomowym bąbelki nie miały gładkiej powierzchni, ale przybierały zygzakowaty kształt o wyraźnie zdefiniowanych krawędziach. To wskazuje, iż struktura dostosowuje się do obecności defektów poprzez formowanie uporządkowanych, stabilnych powierzchni wewnętrznych.
Tajemnica tej odporności tkwi w samych wiązaniach wodorowych między cząsteczkami wody. Ich elastyczność pozwala kryształom na subtelne zmiany orientacji bez zrywania całej struktury. Symulacje komputerowe potwierdziły, iż lód potrafi tolerować duże odchylenia bez ryzyka pęknięcia.
Od lodowców po medycynę
To, co dzieje się na poziomie molekularnym ma tak naprawdę ogromne znaczenie praktyczne. Obserwacje mogą pomóc w opracowaniu nowych technologii antyoblodzeniowych, które mogłyby trafić np. na skrzydła samolotów, drogi czy konstrukcje energetyczne. Mogą także zrewolucjonizować krioprezerwację, czyli zamrażanie komórek i tkanek do celów medycznych.
Nie bez znaczenia pozostaje oczywiście także kontekst zmian klimatycznych. Lodowce zawierające miliony drobnych pęcherzyków powietrza mogą zachowywać się inaczej, niż przewidują to dotychczasowe modele. Zrozumienie ich mikrostruktury może pomóc precyzyjniej prognozować tempo ich topnienia i wpływ na poziom wód.
