Международная команда исследователей использовала компьютерное моделирование и эксперименты для изучения перехода воды из жидкого состояния в лед в наноразмерных кластерах. Согласно полученным результатам, минимально необходимое количество воды для образования льда составляет около 90 молекул.

Хотя специалисты по кристаллографии различают более двадцати модификаций льда, в природе почти весь водяной лед представлен только одной из этих модификаций. Так называемый лед I_h имеет гексагональную кристаллическую структуру, каждая молекула воды в нем окружена четырьмя другими молекулами, находящимися в вершинах правильного тетраэдра. Расстояние между молекулами составляет 2,76 ангстрема. Незначительная часть льда в верхних слоях атмосферы относится к типу лёд Iс, который имеет кубическую структуру кристаллов. Такой лед образуется при температуре от −133 °C до −123 °C и сохраняет свою структуру до −73 °C, а в дальнейшем переходит в лед I_h. Для образования прочих типов водяного льда необходимы особые условия, прежде всего высокое давление.

Целью исследователей было определить, как ведут себя молекулы, когда превратиться в лёд должно крайне малое количество воды. В течение многих лет экспериментаторы пытались определить, сколько молекул воды минимально необходимо, чтобы межмолекулярные взаимодействия между ними смогли поддерживать стабильный лед I_h. Основным препятствием в этих исследованиях была необходимость охлаждать кластеры молекул очень медленно, чтобы не нарушилась правильная кристаллическая структура. При очень быстро охлаждении возникает аморфная модификация льда, если же темп охлаждения неравномерный, результатом становится неестественная комбинация разных кристаллических форм.

В нынешнем исследовании для получения малых молекулярных кластеров была использована смесь воды и аргона, выпускаемая через сопло диаметром 60 микрометров. Полученные нанокапли воды пропускались через три зоны, в которых скорость охлаждения постепенно падала, и в итоге температура достигала 150 кельвинов (−123 °C). Специально разработанные методы компьютерного моделирования предсказывали свойства нанокапель, а соответствие модели реальному положению дел контролировалось при помощи инфракрасной спектроскопии. Итогом работы стал вывод, что лед не сможет образоваться, если нанокапли состоят из менее чем 90 молекул. Такие капли имеют размер всего 2 нанометра, то есть обычная снежинка больше их в миллион раз.

Также ученые обнаружили, что кластеры размером 90–150 молекул способны попеременно переходить из жидкого состояния в лед и обратно, что обусловлено их малыми размерами. Данный эффект предсказан три десятилетия назад, но до сих пор не был подтвержден экспериментально. «Макроскопические системы не имеют аналогичного механизма. Вода либо твердая, либо жидкая. Такое колебательное поведение уникально для кластеров данного размера и данного диапазона температур», — говорит профессор Томас Цойх (Thomas Zeuch) из Геттингенского университета.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.