Liten iskristall. Iskristallers hemligheter. Uppkomsten och utvecklingen av missbruk

Sheila, the War Golem från det nedladdningsbara tillägget " stenfånge”, skiljer sig markant från alla satelliter i kraft och färdigheter. Hon använder sin stenkropp och små kristaller med olika effekter som vapen, och stora kristaller fungerar som hennes rustning. Du kan hitta dem under spelets gång, de finns som vanliga vapen eller till försäljning från köpmän. Kristaller delas in efter vilken typ av effekter som appliceras och reflekteras: andliga, naturliga, elektriska, is och eld. Det bästa är de felfria och exceptionella kristallerna av varje typ. Inte bara ändrar de basstatistik, utan de kan också påverka attack, försvar, konstitution, styrka... Många kristaller kan hittas i Kadash Thai, dit Sheila kommer att erbjuda sig att gå för att ta reda på var hon kommer ifrån och vem hon använde att vara, samt till försäljning Garin i Commons of Orzammar.

Små kristaller för Sheila i Dragon Age: Origins:

Liten felfri eldkristall- styrka: 32; skada: 7,00; +3 % kritisk chans närstrid, +4 skador från vilket vapen som helst, +22,5% brandskada.
Liten felfri iskristall- styrka: 32; skada: 7,00; +2 Pansarpenetration, +10 % kritisk chans. slag eller rygghugg, +22,5 % köldskada.
Liten oklanderlig elektrisk kristall- styrka: 32; skada: 7,00; +4 Agility, +6 Attack, +22,5% elektrisk skada.
Liten felfri naturlig kristall- styrka: 32; skada: 7,00; +4 till konstitution och till återhämtning av hälsa i strid, +22,5% till skada från naturens krafter.
Liten flisad andlig kristall- styrka: 20; skada: 5,50; +5% andlig skada.
Liten sprucken andlig kristall- styrka: 20; skada: 5,50; +10% andlig skada.

Stora kristaller för Sheila i Dragon Age: Origins:

Stor sprucken eldkristall- fysik: 20; rustning: 10,80; +20 Brandmotstånd.
Stor sprucken iskristall- fysik: 20; rustning: 10,80; +20 Kylmotstånd.
Stor sprucken elektrisk kristall- fysik: 20; rustning: 10,80; +20 Elmotstånd.
Stor sprucken naturlig kristall- fysik: 20; rustning: 10,80; +20 Naturmotstånd.
Stor felfri naturlig kristall- fysik: 32; rustning: 16.20; +1 Konstitution, +3 Pansar, +40 Naturmotstånd, +15 Fysiskt motstånd.
Stor sprucken andlig kristall- fysik: 20; rustning: 10,80; +20 Andemotstånd.
Stor ren andlig kristall- fysik: 26; rustning: 14.40; +30 andemotstånd, +8% chans att reflektera fientlig magi, +5 psykiskt motstånd.
Stor felfri andlig kristall- fysik: 32; rustning: 16.20; +1 till all statistik, +40 andemotstånd, +12% chans att återspegla fientlig magi, +15 psykiskt motstånd.

O.V. Mosin, I. Ignatov (Bulgarien)

anteckning Vikten av is för att upprätthålla liv på vår planet kan inte underskattas. Is har stort inflytande på växters och djurs levnadsförhållanden och liv och på olika typer mänsklig ekonomisk verksamhet. Genom att täcka vattnet, spelar isen, på grund av sin låga densitet, rollen som en flytande skärm i naturen, skyddar floder och reservoarer från ytterligare frysning och bevarar livet för undervattensinvånare. Användningen av is för olika ändamål (snöhållning, arrangemang av iskorsningar och isotermiska lager, isläggning av lagringsanläggningar och gruvor) är föremål för ett antal sektioner av hydrometeorologiska och tekniska vetenskaper, såsom isteknik, snöteknik, ingenjörsvetenskap permafrost, samt specialtjänsters verksamhet för isspaning, isbrytande transporter och snöplogar. Naturis används för lagring och kylning av livsmedel, biologiska och medicinska produkter, för vilka den är speciellt framställd och skördad, och smältvatten framställt genom att smälta is används inom folkmedicinen för att öka ämnesomsättningen och ta bort gifter från kroppen. Artikeln introducerar läsaren för nya föga kända egenskaper och modifieringar av is.

Is är en kristallin form av vatten, som enligt de senaste uppgifterna har fjorton strukturella modifieringar. Bland dem finns både kristallina (naturlig is) och amorfa (kubisk is) och metastabila modifieringar som skiljer sig från varandra i det ömsesidiga arrangemanget och de fysikaliska egenskaperna hos vattenmolekyler kopplade av vätebindningar som bildar isens kristallgitter. Alla, förutom det vanliga naturlig is I h , som kristalliseras i ett hexagonalt gitter, bildas under exotiska förhållanden - vid mycket låga temperaturer av torris och flytande kväve och höga tryck i tusentals atmosfärer, när vinklarna för vätebindningar i en vattenmolekyl förändras och kristallsystem andra än hexagonala är formad. Sådana förhållanden påminner om kosmiska förhållanden och finns inte på jorden.

I naturen representeras is huvudsakligen av en kristallin sort, som kristalliseras i ett hexagonalt gitter som liknar strukturen hos en diamant, där varje vattenmolekyl är omgiven av fyra molekyler närmast den, belägna på lika avstånd från den, lika med 2,76 ångström och placerad vid hörn av en vanlig tetraeder. På grund av det låga koordinationstalet är isens struktur ett nätverk, vilket påverkar dess låga densitet, som är 0,931 g/cm 3 .

Den mest ovanliga egenskapen hos is är den fantastiska variationen av yttre manifestationer. Med samma kristallstruktur kan den se helt annorlunda ut, i form av genomskinliga hagelstenar och istappar, fluffiga snöflingor, en tät glänsande isskorpa eller gigantiska glaciärmassor. Is förekommer i naturen i form av kontinental, flytande och underjordisk is, samt i form av snö och rimfrost. Den är utbredd i alla områden av mänsklig bosättning. Snö och is samlas i stora mängder och bildar speciella strukturer med fundamentalt andra egenskaper än enskilda kristaller eller snöflingor. Naturis bildas huvudsakligen av is av sedimentärt-metamorft ursprung, bildad från fast atmosfärisk nederbörd som ett resultat av efterföljande kompaktering och omkristallisation. Ett karakteristiskt kännetecken för naturlig is är granularitet och bandning. Granularitet beror på omkristallisationsprocesser; varje iskorn är en oregelbundet formad kristall som tätt ansluter till andra kristaller i ismassan på ett sådant sätt att en kristalls utsprång passar tätt in i en annans fördjupningar. Sådan is kallas polykristallin. I den är varje iskristall ett lager av de tunnaste bladen som överlappar varandra i basplanet, vinkelrätt mot riktningen för kristallens optiska axel.

De totala isreserverna på jorden uppskattas till cirka 30 miljoner ton. km 3(Bord 1). Det mesta av isen är koncentrerad till Antarktis, där tjockleken på dess lager når 4 km. Det finns också bevis på närvaron av is på solsystemets planeter och i kometer. Is är så viktig för klimatet på vår planet och bosättningen av levande varelser på den att forskare har utsett en speciell miljö för is - kryosfären, vars gränser sträcker sig högt upp i atmosfären och djupt in i jordskorpan.

Flik. ett. Isens kvantitet, distribution och livslängd.

Typ av is; Vikt; Distributionsområde; Medelkoncentration, g/cm2; Viktökningstakt, g/år; Genomsnittlig livslängd, år
G; %; miljoner km2; %
Glaciärer; 2,4 1022; 98,95; 16,1; 10,9 sushi; 1,48 105; 2,5 1018; 9580
underjordisk is; 2 1020; 0,83; 21; 14.1 sushi; 9,52 103; 6 1018; 30-75
havsis; 3,5 1019; 0,14; 26; 7,2 hav; 1,34 102; 3,3 1019; 1,05
snötäcke; 1,0 1019; 0,04; 72,4; 14.2 Jordar; 14,5; 2 1019; 0,3-0,5
isberg; 7,6 1018; 0,03; 63,5; 18,7 hav; 14,3; 1,9 1018; 4.07
atmosfärisk is; 1,7 1018; 0,01; 510,1; 100 Jorden; 3,3 10-1; 3,9 1020; 4 10-3

Iskristaller är unika i sin form och proportioner. Varje växande naturlig kristall, inklusive en iskristall av is, strävar alltid efter att skapa ett idealiskt, regelbundet kristallgitter, eftersom detta är fördelaktigt med tanke på ett minimum av dess inre energi. Eventuella föroreningar, som är känt, förvränger formen av en kristall, därför byggs vattenmolekyler först och främst in i gittret under kristalliseringen av vatten, och främmande atomer och molekyler av föroreningar förskjuts in i vätskan. Och först när föroreningarna inte har någonstans att ta vägen, börjar iskristallen bygga in dem i sin struktur eller lämnar dem i form av ihåliga kapslar med en koncentrerad icke-frysande vätska - saltlake. Därför är havsisen färsk och även de smutsigaste vattendragen är täckta med genomskinliga och ren is. När is smälter tränger den undan föroreningar i saltlaken. På en planetarisk skala spelar fenomenet frysning och upptining av vatten, tillsammans med avdunstning och kondensering av vatten, rollen som en gigantisk reningsprocess där vattnet på jorden ständigt renar sig.

Flik. 2. Några fysiska egenskaper hos is I.

Fast egendom

Menande

Notera

Värmekapacitet, kal/(g °C) Smältvärme, kal/g Förångningsvärme, kal/g

0,51 (0°C) 79,69 677

Minskar kraftigt med sjunkande temperatur

Termisk expansionskoefficient, 1/°C

9,1 10-5 (0°C)

Polykristallin is

Värmeledningsförmåga, kal/(cm sek °C)

4,99 10 -3

Polykristallin is

Brytningsindex:

1,309 (-3°C)

Polykristallin is

Specifik elektrisk konduktivitet, ohm-1 cm-1

10-9 (0°C)

Skenbar aktiveringsenergi 11 kcal/mol

Ytans elektriska ledningsförmåga, ohm-1

10-10 (-11°C)

Skenbar aktiveringsenergi 32 kcal/mol

Youngs elasticitetsmodul, dyn/cm2

9 1010 (-5 °C)

Polykristallin is

Motstånd, MN/m2: krossande rivskjuvning

2,5 1,11 0,57

polykristallin is polykristallin is polykristallin is

Dynamisk viskositet, balans

Polykristallin is

Aktiveringsenergi vid deformation och mekanisk avslappning, kcal/mol

Ökar linjärt med 0,0361 kcal/(mol °C) från 0 till 273,16 K

Notera: 1 kal/(g °C)=4,186 kJ/(kg K); 1 ohm -1 cm -1 \u003d 100 sim / m; 1 dyn = 10 -5 N ; IN = 1 kg m/s^; 1 dyn/cm=10-7 N/m; 1 cal / (cm sek ° C) \u003d 418,68 W / (m K); 1 poise \u003d g/cm s \u003d 10 -1 N sek/m 2.

På grund av den breda utbredningen av is på jorden spelar skillnaden i isens fysiska egenskaper (tabell 2) från egenskaperna hos andra ämnen en viktig roll i många naturliga processer. Is har många andra livsuppehållande egenskaper och anomalier - anomalier i densitet, tryck, volym och värmeledningsförmåga. Om det inte fanns några vätebindningar som länkar vattenmolekyler till en kristall, skulle isen smälta vid -90 °C. Men detta händer inte på grund av närvaron av vätebindningar mellan vattenmolekyler. På grund av dess lägre densitet än vatten, bildar is ett flytande täcke på vattenytan, vilket skyddar floder och reservoarer från frysning av botten, eftersom dess värmeledningsförmåga är mycket mindre än vattens. Samtidigt observeras den lägsta densiteten och volymen vid +3,98 °C (Fig. 1). Ytterligare kylning av vatten till 0 0 C leder gradvis inte till en minskning, utan till en ökning av dess volym med nästan 10 %, när vattnet förvandlas till is. Detta beteende hos vatten indikerar den samtidiga existensen av två jämviktsfaser i vatten - flytande och kvasikristallina, i analogi med kvasikristaller, vars kristallgitter inte bara har en periodisk struktur utan också har symmetriaxlar av olika ordning, den vars existens tidigare stred mot kristallografernas idéer. Denna teori, som först lades fram av den välkände inhemska teoretiska fysikern Ya. I. Frenkel, bygger på antagandet att några av vätskemolekylerna bildar en kvasikristallin struktur, medan resten av molekylerna är gasliknande, fritt. rör sig genom volymen. Fördelningen av molekyler i ett litet område av vilken fast vattenmolekyl som helst har en viss ordning, som påminner något om kristallin, fastän mer lös. Av denna anledning kallas vattnets struktur ibland för kvasikristallin eller kristallliknande, d.v.s. har symmetri och närvaro av ordning i det inbördes arrangemanget av atomer eller molekyler.

Ris. ett. Beroendet av den specifika volymen is och vatten på temperaturen

En annan egenskap är att isens flödeshastighet är direkt proportionell mot aktiveringsenergin och omvänt proportionell mot den absoluta temperaturen, så att när temperaturen sjunker, närmar sig isen i sina egenskaper en absolut fast kropp. I genomsnitt, vid en temperatur nära smältning, är isens flytbarhet 10 6 gånger högre än för stenar. På grund av dess flytande ackumuleras inte is på ett ställe, utan rör sig hela tiden i form av glaciärer. Förhållandet mellan flödeshastighet och spänning i polykristallin is är hyperboliskt; med en ungefärlig beskrivning av det med en effektekvation, ökar exponenten när spänningen ökar.

Synligt ljus absorberas praktiskt taget inte av is, eftersom ljusstrålar passerar genom iskristallen, men det blockerar ultraviolett strålning och det mesta av den infraröda strålningen från solen. I dessa områden av spektrumet verkar isen absolut svart, eftersom absorptionskoefficienten för ljus i dessa områden av spektrumet är mycket hög. Till skillnad från iskristaller absorberas inte vitt ljus som faller på snö, utan bryts många gånger i iskristaller och reflekteras från deras ansikten. Det är därför snön ser vit ut.

På grund av den mycket höga reflektionsförmågan hos is (0,45) och snö (upp till 0,95), är den yta som täcks av dem i genomsnitt cirka 72 miljoner hektar per år. km 2 på de höga och mellersta breddgraderna på båda hemisfärerna tar den emot solvärme 65 % mindre än normen och är en kraftfull källa för kylning av jordens yta, vilket till stor del bestämmer den moderna latitudinella klimatzonaliteten. På sommaren, i polarområdena, är solstrålningen större än i ekvatorialbältet, men temperaturen förblir fortfarande låg, eftersom en betydande del av den absorberade värmen spenderas på smältande is, som har en mycket hög smältvärme.

Andra ovanliga egenskaper hos is inkluderar genereringen av elektromagnetisk strålning genom dess växande kristaller. Det är känt att de flesta av de föroreningar som är lösta i vatten inte överförs till isen när den börjar växa; de fryser. Därför är isfilmen ren och genomskinlig även på den smutsigaste pölen. I detta fall ackumuleras föroreningar vid gränsen mellan fasta och flytande medier, i form av två lager av elektriska laddningar av olika tecken, vilket orsakar en betydande potentialskillnad. Det laddade föroreningsskiktet rör sig längs med den nedre gränsen ung is och avger elektromagnetiska vågor. Tack vare detta kan kristalliseringsprocessen observeras i detalj. Således strålar en kristall som växer i längd i form av en nål annorlunda än en täckt med laterala processer, och strålningen från växande korn skiljer sig från den som uppstår när kristaller spricker. Utifrån strålningspulsernas form, sekvens, frekvens och amplitud kan man avgöra hur snabbt isen fryser och vilken typ av isstruktur som bildas.

Men det mest överraskande med isens struktur är att vattenmolekyler vid låga temperaturer och höga tryck inuti kolnanorör kan kristallisera till en dubbel helixform, som påminner om DNA-molekyler. Detta har bevisats av nya datorexperiment av amerikanska forskare under ledning av Xiao Cheng Zeng från University of Nebraska (USA). För att vatten skulle bilda en spiral i ett simulerat experiment placerades det i nanorör med en diameter på 1,35 till 1,90 nm under högt tryck, varierande från 10 till 40 000 atmosfärer, och en temperatur på –23 °C sattes in. Man förväntade sig att vattnet i samtliga fall bildar en tunn rörformig struktur. Modellen visade dock att vid en nanorörsdiameter på 1,35 nm och ett yttre tryck på 40 000 atmosfärer böjdes vätebindningar i isstrukturen, vilket ledde till bildandet av en dubbelväggig helix - intern och extern. Under dessa förhållanden visade sig den inre väggen vara vriden till en fyrdubbel helix, och den yttre väggen bestod av fyra dubbla helixar liknande en DNA-molekyl (Fig. 2). Detta faktum kan tjäna som bekräftelse på sambandet mellan strukturen hos den livsviktiga DNA-molekylen och själva vattnets struktur och att vattnet fungerade som en matris för syntesen av DNA-molekyler.

Ris. 2. Datormodell av strukturen av fruset vatten i nanorör, som liknar en DNA-molekyl (Foto från New Scientist, 2006)

En annan av vattnets viktigaste egenskaper upptäckt och undersökt i senare tid, ligger i det faktum att vatten har förmågan att komma ihåg information om tidigare effekter. Detta bevisades först av den japanska forskaren Masaru Emoto och vår landsman Stanislav Zenin, som var en av de första som föreslog en klusterteori om vattnets struktur, bestående av cykliska associerade till en bulk polyedrisk struktur - kluster med den allmänna formeln (H 2 O) n, där n, enligt senaste data, kan nå hundratals och till och med tusen enheter. Det är på grund av förekomsten av kluster i vatten som vatten har informationsegenskaper. Forskarna fotograferade processerna för vatten som fryser till ismikrokristaller och agerar på det med olika elektromagnetiska och akustiska fält, melodier, bön, ord eller tankar. Det visade sig att isen frös till symmetriska hexagonala kristaller under påverkan av positiv information i form av vackra melodier och ord. Där icke-rytmisk musik lät, arga och kränkande ord, frös vatten tvärtom till kaotiska och formlösa kristaller. Detta är ett bevis på att vatten har en speciell struktur som är känslig för yttre informationspåverkan. Förmodligen har den mänskliga hjärnan, som består av 85-90% vatten, en starkt strukturerande effekt på vatten.

Emotokristaller väcker både intresse och otillräckligt underbyggd kritik. Om du tittar noga på dem kan du se att deras struktur består av sex toppar. Men ännu mer noggrann analys visar att snöflingor på vintern har samma struktur, alltid symmetriska och med sex toppar. I vilken utsträckning innehåller kristalliserade strukturer information om miljön där de skapades? Strukturen av snöflingor kan vara vacker eller formlös. Detta indikerar att kontrollprovet (moln i atmosfären) där de förekommer har samma effekt på dem som de initiala förhållandena. De initiala förhållandena är solaktivitet, temperatur, geofysiska fält, luftfuktighet etc. Allt detta innebär att från den sk. genomsnittlig ensemble, kan vi dra slutsatsen att strukturen av vattendroppar, och sedan snöflingor, är ungefär densamma. Deras massa är nästan densamma och de rör sig genom atmosfären med samma hastighet. I atmosfären fortsätter de att forma sina strukturer och öka i volym. Även om de bildades i olika delar av molnet finns det alltid ett visst antal snöflingor i samma grupp som uppstått under nästan samma förhållanden. Och svaret på frågan om vad som utgör positiv och negativ information om snöflingor finns i Emoto. Under laboratorieförhållanden bildar negativ information (en jordbävning, ljudvibrationer ogynnsamma för en person, etc.) inte kristaller, utan positiv information, tvärtom. Det är mycket intressant i vilken utsträckning en faktor kan bilda samma eller liknande strukturer av snöflingor. Den högsta densiteten av vatten observeras vid en temperatur på 4 °C. Det är vetenskapligt bevisat att vattnets densitet minskar när sexkantiga iskristaller börjar bildas när temperaturen sjunker under noll. Detta är resultatet av inverkan av vätebindningar mellan vattenmolekyler.

Vad är anledningen till denna strukturering? Kristaller är fasta ämnen, och deras ingående atomer, molekyler eller joner är ordnade i en regelbunden, upprepande struktur, i tre rumsliga dimensioner. Strukturen av vattenkristaller är något annorlunda. Enligt Isaac är endast 10 % av vätebindningarna i is kovalenta, d.v.s. med ganska stabil information. Vätebindningar mellan syre i en vattenmolekyl och väte i en annan är mest känsliga för yttre påverkan. Spektrum av vatten under bildandet av kristaller är relativt olika i tid. Enligt effekten av diskret avdunstning av en vattendroppe bevisad av Antonov och Yuskeseliyev och dess beroende av energitillstånden för vätebindningar, kan vi leta efter ett svar om strukturen av kristaller. Varje del av spektrumet beror på vattendropparnas ytspänning. Det finns sex toppar i spektrumet, vilket indikerar snöflingans förgreningar.

Uppenbarligen, i Emotos experiment, har det initiala "kontrollprovet" en effekt på utseendet på kristallerna. Detta innebär att efter exponering för en viss faktor kan bildandet av sådana kristaller förväntas. Det är nästan omöjligt att få identiska kristaller. När man testar effekten av ordet "kärlek" på vatten, visar Emoto inte tydligt om detta experiment utfördes med olika prover.

Dubbelblinda experiment behövs för att testa om Emoto-tekniken skiljer sig tillräckligt. Isaacs bevis på att 10 % av vattenmolekylerna bildar kovalenta bindningar efter frysning visar oss att vatten använder denna information när det fryser. Emotos prestation, även utan dubbelblinda experiment, är fortfarande ganska viktig i förhållande till vattnets informationsegenskaper.

Naturlig snöflinga, Wilson Bentley, 1925

Emoto snöflinga erhållen från naturligt vatten

En snöflinga är naturlig och den andra är skapad av Emoto, vilket indikerar att mångfalden i vattenspektrat inte är obegränsad.

Jordbävning, Sofia, 4,0 Richter, 15 november 2008,
Dr. Ignatov, 2008©, Prof. Antonovs enhet ©

Denna siffra anger skillnaden mellan kontrollprovet och de som tagits på andra dagar. Vattenmolekyler bryter de mest energiska vätebindningarna i vatten, samt två toppar i spektrumet under ett naturfenomen. Studien utfördes med hjälp av Antonov-anordningen. Det biofysiska resultatet visar en minskning av kroppens vitalitet under en jordbävning. Under en jordbävning kan vatten inte ändra sin struktur i snöflingorna i Emotos labb. Det finns bevis på en förändring i vattnets elektriska ledningsförmåga under en jordbävning.

1963 märkte den tanzaniske skolpojken Erasto Mpemba att varmt vatten fryser snabbare än kallt vatten. Detta fenomen kallas Mpemba-effekten. Även om vattnets unika egenskap uppmärksammades mycket tidigare av Aristoteles, Francis Bacon och Rene Descartes. Fenomenet har bevisats många gånger om genom ett antal oberoende experiment. Vatten har en annan märklig egenskap. Enligt min åsikt är förklaringen till detta följande: det differentiella icke-jämviktsenergispektrumet (DNES) för kokt vatten har en lägre medelenergi av vätebindningar mellan vattenmolekyler än ett prov taget vid rumstemperatur.Detta betyder att kokt vatten behöver mindre energi för att börja strukturera kristaller och frysa.

Nyckeln till isens struktur och dess egenskaper ligger i dess kristallstruktur. Kristaller av alla modifieringar av is är byggda av vattenmolekyler H 2 O, sammankopplade med vätebindningar till tredimensionella nätramar med ett visst arrangemang av vätebindningar. Vattenmolekylen kan helt enkelt föreställas som en tetraeder (pyramid med en triangulär bas). I dess centrum finns en syreatom, som är i ett tillstånd av sp 3-hybridisering, och vid två hörn - av en väteatom, vars en av 1s elektroner är involverad i bildandet av en kovalent N-Om anslutning med syre. De två återstående hörnen upptas av par av oparade syreelektroner som inte deltar i bildandet av intramolekylära bindningar, därför kallas de ensamma. Den rumsliga formen av H 2 O-molekylen förklaras av den ömsesidiga repulsionen av väteatomer och ensamma elektronpar i den centrala syreatomen.

Vätebindningen är viktig i kemin av intermolekylära interaktioner och drivs av svaga elektrostatiska krafter och donator-acceptor-interaktioner. Det uppstår när den elektronbristiga väteatomen i en vattenmolekyl interagerar med det ensamma elektronparet i syreatomen i den närliggande vattenmolekylen (О-Н…О). Utmärkande drag vätebindningen är relativt låg styrka; den är 5-10 gånger svagare än en kemisk kovalent bindning. När det gäller energi upptar en vätebindning en mellanposition mellan en kemisk bindning och van der Waals-interaktioner som håller molekyler i en fast eller flytande fas. Varje vattenmolekyl i en iskristall kan samtidigt bilda fyra vätebindningar med andra närliggande molekyler vid strikt definierade vinklar lika med 109 ° 47 "riktade mot tetraederns hörn, som inte tillåter bildandet av en tät struktur när vatten fryser (Fig. 3) I isstrukturerna I, Ic, VII och VIII är denna tetraeder regelbunden. I strukturerna i is II, III, V och VI är tetraedrarna märkbart förvrängda. I strukturerna av is VI, VII och VIII, två ömsesidigt korsande system av vätebindningar kan urskiljas. Detta osynliga ramverk av vätebindningar arrangerar vattenmolekyler i form av ett rutnät, strukturen liknar en sexkantig bikaka med ihåliga inre kanaler. Om isen värms upp förstörs rutnätsstrukturen: vatten molekyler börjar falla in i hålrummen i nätet, vilket leder till en tätare struktur av vätskan - detta förklarar varför vatten är tyngre än is.

Ris. 3. Bildandet av en vätebindning mellan fyra H 2 O-molekyler (röda bollar anger centrala syreatomer, vita bollar anger väteatomer)

Specificiteten hos vätebindningar och intermolekylära interaktioner, karakteristiska för isstrukturen, bevaras i smältvatten, eftersom endast 15 % av alla vätebindningar förstörs under smältningen av en iskristall. Därför bryts inte bindningen som är inneboende i is mellan varje vattenmolekyl och dess fyra grannar ("short range order"), även om syreramverkets gitter är mer diffust. Vätebindningar kan också bibehållas när vattnet kokar. Vätebindningar saknas endast i vattenånga.

Is, som bildas vid atmosfärstryck och smälter vid 0 ° C, är det mest välbekanta, men fortfarande inte helt förstådda ämnet. Mycket i sin struktur och egenskaper ser ovanligt ut. Vid noderna i kristallgittret av is är syreatomerna i tetraedrarna av vattenmolekyler ordnade på ett ordnat sätt och bildar regelbundna hexagoner, som en hexagonal bikaka, och väteatomer upptar olika positioner på vätebindningarna som förbinder syreatomerna ( Fig. 4). Därför finns det sex ekvivalenta orienteringar av vattenmolekyler i förhållande till sina grannar. Vissa av dem är uteslutna, eftersom närvaron av två protoner på samma vätebindning samtidigt är osannolik, men det finns fortfarande en tillräcklig osäkerhet i orienteringen av vattenmolekyler. Detta beteende hos atomer är atypiskt, eftersom alla atomer i en fast materia lyder samma lag: antingen är de atomer ordnade på ett ordnat sätt, och sedan är det en kristall, eller slumpmässigt, och då är det en amorf substans. En sådan ovanlig struktur kan realiseras i de flesta modifieringar av is - Ih, III, V, VI och VII (och, uppenbarligen, i Ic) (tabell 3), och i strukturen av is II, VIII och IX, vatten molekyler är orienterande ordnade. Enligt J. Bernal är is kristallin i förhållande till syreatomer och glasartad i förhållande till väteatomer.

Ris. fyra. Struktur av is med naturlig hexagonal konfiguration I h

Under andra förhållanden, till exempel i rymden vid höga tryck och låga temperaturer, kristalliserar isen annorlunda och bildar andra kristallgitter och modifieringar (kubiska, trigonala, tetragonala, monokliniska, etc.), som var och en har sin egen struktur och kristallgitter ( Tabell 3). Isstrukturerna av olika modifieringar beräknades av ryska forskare, doktor i kemiska vetenskaper. G.G. Malenkov och Ph.D. E.A. Zheligovskaya från Institutet för fysikalisk kemi och elektrokemi. EN. Frumkin från Ryska vetenskapsakademin. Ismodifieringarna II, III och V förblir under lång tid vid atmosfärstryck om temperaturen inte överstiger -170 °C (fig. 5). När den kyls till cirka -150 ° C förvandlas naturlig is till kubisk is Ic, bestående av kuber och oktaedrar som är några nanometer stora. Is I c uppstår ibland också när vatten fryser i kapillärer, vilket tydligen underlättas av vattnets växelverkan med väggmaterialet och upprepningen av dess struktur. Om temperaturen är något högre än -110 °C bildas kristaller av tätare och tyngre glasartad amorf is med en densitet av 0,93 g/cm3 på metallsubstratet. Båda dessa former av is kan spontant förvandlas till hexagonal is, och ju snabbare desto högre temperatur.

Flik. 3. Vissa modifieringar av is och deras fysiska parametrar.

Modifiering

Kristallstruktur

Vätebindningslängder, Å

Vinklar H-O-H i tetraedrar, 0

Hexagonal

kubisk

Trigonal

tetragonal

Monoklinisk

tetragonal

kubisk

tetragonal

Notera. 1 Å = 10-10 m

Ris. 5. Tillståndsdiagram över kristallina isar av olika modifikationer.

Det finns också högtrycksisar - II och III av trigonala och tetragonala modifikationer, bildade av ihåliga tunnland bildade av hexagonala korrugerade element förskjutna i förhållande till varandra med en tredjedel (fig. 6 och fig. 7). Dessa isar stabiliseras i närvaro av ädelgaserna helium och argon. I strukturen av is V i den monokliniska modifieringen sträcker sig vinklarna mellan närliggande syreatomer från 860 till 132°, vilket är mycket annorlunda än bindningsvinkeln i vattenmolekylen, som är 105°47'. Is VI av den tetragonala modifieringen består av två ramar införda i varandra, mellan vilka det inte finns några vätebindningar, som ett resultat av vilket ett kroppscentrerat kristallgitter bildas (fig. 8). Strukturen av is VI är baserad på hexamerer - block av sex vattenmolekyler. Deras konfiguration upprepar exakt strukturen för ett stabilt vattenkluster, vilket ges av beräkningarna. Isarna VII och VIII i den kubiska modifieringen, som är lågtemperaturordnade former av is VII, har en liknande struktur med ramverk av is I införda i varandra. Med en efterföljande ökning av trycket, avståndet mellan syreatomer i kristallgittret Is VII och VIII kommer att minska, som ett resultat bildas strukturen av is X, där syreatomerna är ordnade i ett regelbundet gitter, och protonerna är ordnade.

Ris. 7. Ice av III-konfiguration.

Is XI bildas genom djupkylning av is I h med tillsats av alkali under 72 K vid normalt tryck. Under dessa förhållanden bildas hydroxylkristalldefekter, vilket gör att den växande iskristallen kan ändra sin struktur. Ice XI har ett rombiskt kristallgitter med ett ordnat arrangemang av protoner och bildas samtidigt i många kristallisationscentra nära kristallens hydroxyldefekter.

Ris. åtta. Ice VI-konfiguration.

Bland isarna finns också metastabila former IV och XII, vilkas livstid är sekunder, som har den vackraste strukturen (fig. 9 och fig. 10). För att erhålla metastabil is är det nödvändigt att komprimera is I h till ett tryck av 1,8 GPa vid flytande kvävetemperatur. Dessa isar bildas mycket lättare och är särskilt stabila när underkylt tungt vatten utsätts för tryck. En annan metastabil modifiering - is IX bildas under underkylning Is III och representerar väsentligen dess lågtemperaturform.

Ris. 9. Ice IV-konfiguration.

Ris. tio. Ice XII-konfiguration.

De två sista modifikationerna av is - med monoklinisk XIII och rombisk konfiguration XIV upptäcktes av forskare från Oxford (Storbritannien) ganska nyligen - 2006. Antagandet att iskristaller med monoklina och rombiska gitter skulle existera var svårt att bekräfta: viskositeten för vatten vid en temperatur på -160 ° C är mycket hög, och det är svårt för molekyler av rent underkylt vatten att komma samman i en sådan mängd att en kristallkärna bildas. Detta uppnåddes med hjälp av en katalysator - saltsyra, som ökade rörligheten för vattenmolekyler vid låga temperaturer. På jorden kan sådana modifieringar av is inte bildas, men de kan existera i rymden på kylda planeter och frusna satelliter och kometer. Således tillåter beräkningen av densiteten och värmeflödena från ytan av satelliterna Jupiter och Saturnus oss att hävda att Ganymedes och Callisto borde ha ett isskal där isarna I, III, V och VI alternerar. På Titan bildar is inte en skorpa, utan en mantel, vars inre skikt består av is VI, andra högtrycksisar och klatrathydrater, och is I h ligger på toppen.

Ris. elva. Variation och form av snöflingor i naturen

Högt uppe i jordens atmosfär vid låga temperaturer kristalliserar vatten från tetraedrar och bildar sexkantig is I h . Centrum för bildandet av iskristaller är fasta dammpartiklar, som lyfts upp i den övre atmosfären av vinden. Nålar växer runt denna embryonala mikrokristall av is i sex symmetriska riktningar, bildade av individuella vattenmolekyler, på vilka laterala processer - dendriter växer. Temperaturen och luftfuktigheten i luften runt snöflingan är densamma, så till en början är den symmetrisk till formen. När snöflingor bildas sjunker de gradvis in i de lägre skikten av atmosfären, där temperaturen är högre. Här uppstår smältning och deras ideala geometriska form förvrängs och bildar en mängd olika snöflingor (fig. 11).

Med ytterligare smältning förstörs isens hexagonala struktur och en blandning av cykliska associater av kluster bildas, såväl som från tri-, tetra-, penta-, hexamerer av vatten (Fig. 12) och fria vattenmolekyler. Studiet av strukturen hos de bildade klustren är ofta avsevärt svårt, eftersom vatten enligt moderna data är en blandning av olika neutrala kluster (H 2 O) n och deras laddade klusterjoner [H 2 O] + n och [H 20] - n, som är i dynamisk jämvikt mellan med en livstid på 10 -11 -10 -12 sekunder.

Ris. 12. Möjliga vattenkluster (a-h) med sammansättning (H 2 O) n, där n = 5-20.

Kluster kan interagera med varandra på grund av de utskjutande ytorna av vätebindningar och bildar mer komplexa polyedriska strukturer, såsom hexaeder, oktaeder, icosahedron och dodekaeder. Sålunda är vattnets struktur associerad med de så kallade platoniska fasta ämnena (tetraeder, hexahedron, oktaeder, icosahedron och dodecahedron), uppkallad efter den antika grekiske filosofen och geometern Platon som upptäckte dem, vars form bestäms av det gyllene snittet (Fig. 13).

Ris. 13. Platoniska fasta ämnen, vars geometriska form bestäms av det gyllene snittet.

Antalet hörn (B), ytor (G) och kanter (P) i varje rumslig polyeder beskrivs av relationen:

C + D = P + 2

Förhållandet mellan antalet hörn (B) av en vanlig polyeder och antalet kanter (P) på en av dess ytor är lika med förhållandet mellan antalet ytor (G) på samma polyeder och antalet kanter ( P) som kommer från en av dess hörn. För en tetraeder är detta förhållande 4:3, för en hexaeder (6 ytor) och en oktaeder (8 ytor) - 2:1, och för en dodekaeder (12 ytor) och en ikosaeder (20 ytor) - 4:1.

Strukturerna för polyedriska vattenkluster beräknade av ryska forskare bekräftades med moderna analysmetoder: protonmagnetisk resonansspektroskopi, femtosekundlaserspektroskopi, röntgen- och neutrondiffraktion på vattenkristaller. Upptäckten av vattenkluster och vattnets förmåga att lagra information är de två viktigaste upptäckterna under det 21:a millenniet. Detta bevisar tydligt att naturen kännetecknas av symmetri i form av exakt geometriska former och proportioner som är karakteristiska för iskristaller.

LITTERATUR.

1. Belyanin V., Romanova E. Life, the water molecule and the golden ratio // Science and Life, 2004, vol 10, nr 3, sid. 23-34.

2. Shumsky P. A., Fundamentals of structural ice science. - Moskva, 1955b sid. 113.

3. Mosin O.V., Ignatov I. Medvetenhet om vatten som en substans i livet. // Medvetande och fysisk verklighet. 2011, T 16, nr 12, sid. 9-22.

4. Petryanov I. V. Det mest ovanliga ämnet i världen. Moscow, Pedagogy, 1981, sid. 51-53.

5 Eisenberg D, Kautsman V. Vattens struktur och egenskaper. - Leningrad, Gidrometeoizdat, 1975, sid. 431.

6. Kulsky L. A., Dal V. V., Lenchina L. G. Vatten är bekant och mystiskt. - Kiev, Rodyansk skola, 1982, sid. 62-64.

7. G. N. Zatsepina, Vattens struktur och egenskaper. - Moskva, red. Moscow State University, 1974, sid. 125.

8. Antonchenko V. Ya., Davydov N. S., Ilyin V. V. Fundamentals of water physics - Kiev, Naukova Dumka, 1991, sid. 167.

9. Simonite T. DNA-liknande is "sett" inuti kolnanorör // New Scientist, V. 12, 2006.

10. Emoto M. Meddelanden om vatten. Hemliga koder iskristaller. - Sofia, 2006. sid. 96.

11. S. V. Zenin och B. V. Tyaglov, Nature of Hydrophobic Interaction. Förekomst av orienteringsfält i vattenlösningar // Journal of Physical Chemistry, 1994, V. 68, nr 3, sid. 500-503.

12. Pimentel J., McClellan O. Hydrogen connection - Moscow, Nauka, 1964, sid. 84-85.

13. Bernal J., Fowler R. Structure of water and joniska lösningar // Uspekhi fizicheskikh nauk, 1934, vol. 14, nr 5, sid. 587-644.

14. Hobza P., Zahradnik R. Intermolekylära komplex: Van der Waals-systemens roll i fysikalisk kemi och biodiscipliner. - Moscow, Mir, 1989, sid. 34-36.

15. E. R. Pounder, Physics of Ice, övers. från engelska. - Moskva, 1967, sid. 89.

16. Komarov S. M. Ismönster av högtryck. // Chemistry and Life, 2007, nr 2, s. 48-51.

17. E. A. Zheligovskaya och G. G. Malenkov. Kristallin is // Uspekhi khimii, 2006, nr 75, sid. 64.

18. Fletcher N. H. Isens kemiska fysik, Cambreage, 1970.

19. Nemukhin A. V. Variety of clusters // Russian Chemical Journal, 1996, vol. 40, nr 2, sid. 48-56.

20. Mosin O.V., Ignatov I. Vattenstruktur och fysisk verklighet. // Medvetande och fysisk verklighet, 2011, vol. 16, nr 9, sid. 16-32.

21. Ignatov I. Bioenergetisk medicin. Uppkomsten av levande materia, minnet av vatten, bioresonans, biofysiska fält. - GaiaLibris, Sofia, 2006, sid. 93.

iskristaller

Alternativa beskrivningar

atmosfäriskt fenomen

Typ av nederbörd

Vinterkonstnärsmålning med en färg

glasera

Kristallint kondensat av luftfuktighet

väderfenomen

Grått hår på ett träd

Blå, blå, liggande på trådarna (låt)

Ett lager av iskristaller på en kyld yta

Ett tunt lager av iskristaller som bildas genom avdunstning på en kylande yta

Ett tunt lager snö på en svalkande yta

Iskristaller som bildas av vattenånga i luften

. "styv" dagg

Ryskt kylskåpsmärke

Ett tunt lager snö bildades på grund av avdunstning

Nederbörd

Blå soffpotatis på trådar

. "och inte snö och inte is, utan tar bort träd med silver" (gåta)

vit nederbörd

Frost på ledningarna

nederbörd på träd

Täcker träd på vintern

Vinterkläder träd

snödagg

snötäckt fukt

Vinterräd mot granarna

Snövit nederbörd

spets rimfrost

Snöfall

snöräd

vinterräd

. "vithet" på träden

Vinternederbörd

Omsluter träden på vintern

Stelnade ångor

Blå soffpotatis (låt)

frusen ånga

Vinterkläder av träd

Vita vinterfransar

Blå-blå la sig på ledningarna

. dagg på vintern

snödagg

Nederbörd på ledningarna

På vintern i träden

Blå la sig på ledningarna

tunt lager snö

Snö på grenar och trådar

. "och granen igenom ... blir grön"

Blå soffpotatis (låt)

Silver trä finish

Nederbörd på vintern

Blå nederbörd på ledningarna (låt)

Ett annat namn för frost

Rim som ett faktum

. "När du går in på tröskeln, överallt ..."

Rimfrost i ett nötskal

Frost efter en kall natt

. "frosthög"

Nästan snö

snöfransar

frusen dagg

Nästan samma som frost

Nästan snö på morgonen

Rimfrost på trådarna i en låt

Vinterfransar på buskarna

frusen ånga

vinterdagg

Vintertäcke av buskar

. "grått hår" på grenarna

. "frost fluff"

tunt lager is

tunt lager snö

Vinter "grått hår"

Vintertäcke av buskar

Den som låg på ledningarna

Is på grenarna

frost på träden

Vintersilver på träden

Målning av Goncharova

Det man ska riva av bilen på hösten

vinterfrost

frusen ånga

atmosfäriskt fenomen

Ett tunt lager av iskristaller som bildas genom avdunstning på en kylande yta

. "Och granen genom ... blir grön"

. "När du går in på tröskeln, överallt..."

. "Frost högen"

. "Frystigt fluff"

. "frusen" dagg

. Rosa på vintern

. "grått hår" på grenarna

. "Blå blå ... lägg dig på ledningarna"

. "och inte snö och inte is, utan tar bort träd med silver" (gåta)

. "Vithet" på träden

Vinter "grått hår"

Frusna ångor, fukt i luften, som sätter sig på föremål som är kallare än luft, och fryser ner på dem, vilket händer efter återkomsten av svår frost. Från andning, frost sitter på skägg, krage. På träden, tjock rimfrost, kurzha, kolv. Frost på frukterna, svettig matthet. Fluffig rimfrost - till hinken. Stor rimfrost, snöhögar, djupfrusen mark, till spannmålsproduktion. Stor frost hela vintern, tung sommar för hälsan. På profeten Haggai och Daniel, frost, varm jultid och december. På Gregorius av Nikiy januari) frost på höstackar - till ett vått år. Rimfrost, täckt med frost; frostig; riklig frost. Frostigt, frostigt, men i mindre utsträckning. Ineel m. på (från) trädgrenar brutna av rimfrostens tyngd. Rim eller frostskada, frostskada, frostskada?, att täckas med frost. Hyddans hörn är frusna och frostiga, domnade

frusen dagg

Blå-blå, lägg dig på ledningarna

. "Blå-blå ... lägg dig på ledningarna"

Vi har alla hört talas om vattnets unika egenskaper många gånger. Om den "färglösa och luktfria vätskan" inte hade speciella egenskaper skulle livet på jorden i sin nuvarande form vara omöjligt. Detsamma kan sägas om den fasta formen av vatten - is. Nu har forskare tagit reda på en annan av dess hemligheter: i en nyss publicerad studie har experter äntligen bestämt exakt hur många molekyler som behövs för att få en iskristall.

Unik anslutning

Listan över fantastiska egenskaper hos vatten kan vara mycket lång. Den har den högsta specifika värmekapaciteten bland vätskor och fasta ämnen, densiteten av dess kristallina form - det vill säga is - är mindre än densiteten av vatten i flytande tillstånd, förmågan att vidhäfta ("stick"), hög ytspänning - allt detta och mycket mer tillåter livet på jorden som sådant.

Vatten har sin unika karaktär till vätebindningar, eller snarare deras antal. Med deras hjälp kan en H 2 O-molekyl "binda" med fyra andra molekyler. Sådana "kontakter" är märkbart mindre starka än kovalenta bindningar (ett slags "vanliga" bindningar som håller ihop till exempel väte- och syreatomer i en vattenmolekyl), och att bryta varje vätebindning individuellt är ganska enkelt. Men det finns många sådana interaktioner i vatten, och tillsammans begränsar de märkbart friheten för H 2 O-molekyler, vilket hindrar dem från att bryta sig loss från sina "kamrater" för lätt, till exempel när de värms upp. Var och en av själva vätebindningarna existerar under en liten bråkdel av en sekund - de förstörs och återskapas ständigt. Men samtidigt, när som helst, är de flesta av vattenmolekylerna involverade i interaktion med sina "grannar".

Vätebindningar är också ansvariga för vattnets ovanliga beteende under kristallisation, det vill säga under bildandet av is. Isberg som flyter på havets yta, en isskorpa i sötvatten - alla dessa fenomen förvånar oss inte, eftersom vi är vana vid dem från födseln. Men om det viktigaste på jorden inte var vatten, utan någon annan vätska, skulle varken ishallar eller isfiske existera alls. Tätheten av nästan alla ämnen under övergången från flytande till fast tillstånd ökar, eftersom molekylerna är mer "pressade" mot varandra, vilket gör att det blir fler av dem per volymenhet.

Situationen är annorlunda med vatten. Upp till en temperatur på 4 grader Celsius växer tätheten av H 2 O på ett disciplinerat sätt, men när denna gräns passeras sjunker den abrupt med 8 procent. Mängden fruset vatten ökar i enlighet därmed. Denna funktion är välkänd för invånare i hus med rör som inte har reparerats på länge eller de som glömt lågalkoholdrycker i frysen.

Orsaken till den anomala förändringen i vattentätheten under övergången från flytande till fast tillstånd ligger i samma vätebindningar. Kristallgittret av is liknar en bikaka, i vars sex hörn vattenmolekyler finns. De är sammankopplade med vätebindningar, och deras längd överstiger längden på den "vanliga" kovalenta bindningen. Som ett resultat finns det mer tomt utrymme mellan molekylerna av stelnat H 2 O än det var mellan dem i flytande tillstånd, när partiklarna rörde sig fritt och kunde komma mycket nära varandra. En visuell jämförelse av packningen av molekylerna i vattenfasens flytande och fasta fas ges till exempel.

Vattens exceptionella egenskaper och speciella betydelse för jordens invånare säkerställde hennes ständiga uppmärksamhet av forskare. Det skulle inte vara en stor överdrift att säga att kombinationen av två väteatomer och en syreatom är det mest noggrant studerade ämnet på planeten. Ändå kommer specialister som har valt H 2 O som föremål för sitt intresse inte att lämnas utan arbete. De kan till exempel alltid studera hur flytande vatten faktiskt förvandlas till fast is. Kristalliseringsprocessen, som leder till så dramatiska förändringar i alla egenskaper, sker mycket snabbt, och många av dess detaljer är fortfarande okända. Efter utgivningen av det sista numret av tidningen Vetenskap ett mysterium mindre: nu vet forskarna exakt hur många vattenmolekyler som måste läggas i ett glas så att innehållet i kylan förvandlas till bekant is.

olika is

Ordet "vanligt" i föregående mening används inte av stilistiska skäl. Det understryker det vi pratar om kristallin is - den med ett bikakeliknande sexkantigt galler. Även om sådan is är bruklig bara på jorden, råder en helt annan form av is i det ändlösa interstellära rymden, som på den tredje planeten från solen erhålls huvudsakligen i laboratorier. Denna is kallas amorf, och den har ingen regelbunden struktur.

Amorf is kan erhållas om flytande vatten kyls mycket snabbt (inom millisekunder eller ännu snabbare) och mycket kraftigt (under 120 kelvin - minus 153,15 grader Celsius). Under sådana extrema förhållanden har H 2 O-molekyler inte tid att organisera sig i en ordnad struktur, och vatten förvandlas till en viskös vätska, vars densitet är något större än isens. Om temperaturen förblir låg kan vatten förbli i form av amorf is under mycket lång tid, men när det värms upp övergår det till ett mer bekant tillstånd av kristallin is.

Varianter av den fasta formen av vatten är inte begränsade till amorf och hexagonal kristallin is - totalt är mer än 15 typer av det kända för forskare idag. Den vanligaste isen på jorden kallas is I h, men i den övre atmosfären kan man även hitta is I c, vars kristallgitter liknar ett diamantgitter. Andra ismodifieringar kan vara trigonala, monokliniska, kubiska, rombiska och pseudorhombiska.

Men i vissa fall kommer en fasövergång mellan dessa två tillstånd inte att inträffa: om det finns för få vattenmolekyler, istället för att bilda ett strikt organiserat gitter, "föredrar" de att förbli i en mindre ordnad form. "I alla molekylära kluster konkurrerar interaktioner på ytan med interaktioner inuti klustret," förklarade Thomas Zeuch, en av författarna till det nya verket, anställd vid Institutet för fysikalisk kemi vid universitetet i Göttingen, till Lente.ru. "För mindre kluster visar det sig vara mer energimässigt fördelaktigt att maximera klustrets ytstruktur snarare än att bilda en kristallin kärna. Därför förblir sådana kluster amorfa."

Geometrins lagar dikterar att när storleken på klustret ökar, minskar andelen molekyler som visas på ytan. Vid någon tidpunkt uppväger energinyttan från bildandet av ett kristallgitter fördelarna med det optimala arrangemanget av molekyler på ytan av klustret, och en fasövergång inträffar. Men när exakt detta ögonblick kommer, visste forskarna inte.

En grupp forskare som arbetade under ledning av professor Udo Buck (Udo Buck) från Institutet för dynamik och självorganisering i Göttingen lyckades ge ett svar. Det har experter visat minsta antal molekyler som kan bilda en iskristall är 275 plus eller minus 25 stycken.

I sin studie använde forskarna metoden för infraröd spektroskopi, moderniserad så att resultatet kunde skilja mellan de spektra som ger vattenkluster som skiljer sig i storlek med bara några få molekyler. Metoden som utvecklats av författarna ger den maximala upplösningen för kluster som innehåller från 100 till 1000 molekyler - nämligen i detta intervall, som man trodde, ligger "tröskelvärdet", varefter kristalliseringen börjar.

Forskare skapade amorf is genom att föra vattenånga blandad med helium genom ett mycket tunt hål in i en vakuumkammare. När de försökte klämma sig in i ett litet hål kolliderade vatten- och heliummolekylerna kontinuerligt med varandra och förlorade i denna kross en betydande del av sin kinetiska energi. Som ett resultat kom redan "lugnade" molekyler, som lätt bildar kluster, in i vakuumkammaren.

Genom att ändra antalet vattenmolekyler och jämföra de resulterande spektra kunde forskarna detektera övergångsögonblicket från den amorfa till den kristallina formen av is (spektra av dessa två former har mycket karakteristiska skillnader). Dynamiken som forskare erhöll var i god överensstämmelse med teoretiska modeller, som förutspår att efter att ha passerat genom "X-punkten", börjar bildandet av ett kristallgitter i mitten av klustret och sprider sig till dess kanter. Ett tecken på att kristallisering är nära förestående (igen, enligt teoretiska studier) är bildandet av en ring av sex vätebundna molekyler - detta är vad som händer när det totala antalet molekyler i klustret blir 275. En ytterligare ökning av antalet molekyler leder till en gradvis tillväxt av gittret, och vid stadiet av 475 stycken är isklustrets spektrum redan helt omöjligt att skilja från det spektrum som ger vanlig kristallin is.

"Mekanismen för fasövergången från amorft till kristallint tillstånd på mikronivå har ännu inte studerats i detalj", förklarar Zeuch. "Vi kan bara jämföra våra experimentella data med teoretiska förutsägelser – och i det här fallet visade sig överenskommelsen vara anmärkningsvärt bra Nu, med utgångspunkt från de nuvarande resultaten, kommer vi, tillsammans med teoretiska kemister, att kunna fortsätta studien av fasövergången och i synnerhet kommer vi att försöka ta reda på hur snabbt den sker.

Bucks och kollegors arbete faller i kategorin "rent grundläggande", även om det också har några praktiska utsikter. Författarna utesluter inte att tekniken de skapat för att studera vattenkluster, som gör det möjligt att se skillnader när flera molekyler tillförs, i framtiden också kan bli efterfrågad inom tillämpade områden. "I vår artikel beskrev vi alla nyckelkomponenter i tekniken, så att den i princip kan vara ganska anpassad för att studera kluster av andra neutrala molekyler. Men de grundläggande principerna för laseranordningen förstods redan 1917, och den första lasern skapades först på 1960-talet ", - Zeuch varnar för överdriven optimism.