![image](https://habrastorage.org/webt/gm/qr/rz/gmqrrznu8c5a3dqzw0jw1ftct2g.jpeg)
Лёд взрывается, тонет в воде, проводит ток, генерирует мощное магнитное поле.
Мой друг в детстве приклеивал на капельку пластилина таракана на дно формочки для льда, заливал водой и замораживал. Потом швырял ледяные кубики с начинкой в стену и кричал «Я — Сабзиро!» А я всё время выбирал Глациуса в Killer Instinct, потому что изящный. В «Семиевии» из льда на астероиде построили реактивный двигатель и льдом же его топили. Ну и, конечно же, «Колыбель для кошки». А тем временем в реальности…
Аргоннская национальная лаборатория в 1980 придумала технологию ледяной гидросмеси (ice slurry), которая не образует ледяные наросты, не слипается, течет по трубам и в 5-7 раз эффективнее простой воды для охлаждения.
Микрокристаллы льда «ледяная кровь» хорошо проникают в маленькие кровеносные сосуды без вреда для клеткок. При остановке сердца время для спасения пострадавшего теоретически может увеличиться с 10 до 45 минут.
Д. Пайк предложил добавить в лед опилки и из этого композита (пайкерита) сделать… авианосец.
Чуток копнув, я узнал, насколько глубока ледяная кроличья нора.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/684/621/683/684621683ed3fdb096f1236c5d3697ed.jpg)
Первопроходец в исследовании различных типов льда — Перси Уильямс Бриджмен, нобелевский лауреат по физике в 1946, он работал с высокими давлениями (до 10 ГПа), открыл/описал в 1912 году 5-6 видов льда.
«Правила льда»
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/a1f/337/072/a1f33707259f718b07b65fa5b875245c.jpg)
Правила Бернала-Фаулера:
- а) атом кислорода каждой молекулы Н2О связан с четырьмя соседними атомами водорода: с двумя атомами водорода ковалентной связью, с двумя соседними — посредством водородных связей (как это имеет место в кристаллической структуре льда);
- б) на линии кислород — кислород может располагаться только один протон Н+;
- в) протон, участвующий в образовании водородной связи и находящийся между атомами кислорода имеет два равновесных положения и может находиться как вблизи своего атома кислорода на расстоянии приблизительно 1 A, так и вблизи соседнего атома кислорода на расстоянии 1,7 A, т.е. наряду с обычным димером HO-H...OH2 стабильной является также и ионная пара HO-+H-OH2. Состояние «протон около соседнего кислорода» характерно для границы раздела фаз, т.е. вблизи поверхности вода-твердое тело или вода-газ;
- г) пространственная связь тройки О-Н… О, где чертой обозначена ковалентная связь, а точками — водородная, не может быть произвольной, а имеет четкую пространственную направленность.
![image](https://habrastorage.org/webt/oy/gn/me/oygnmeswc7o8g2p_vtgcryako0i.jpeg)
Шесть возможных молекулярных ориентаций центральной молекулы воды в пентамере Вальрафена.
Эксперименты с величиной и скоростью изменения температуры и давления, а так же хитрости с графеном позволяют играться со структурой и ориентацией протонов, что порождает 19 экспериментально полученных и несколько теоретических видов льда.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/2e0/c7d/fe0/2e0c7dfe0c0e7a33e4ade01877a4a2b9.jpg)
Фазовая диаграмма и структуры льда.
![image](https://habrastorage.org/webt/jz/lg/gk/jzlggkicqsvdjit_c8smok9jubu.jpeg)
Сводная таблица 19 видов льда.
Лёд 0
Теоретическая структура. Лед-0 может получиться при кристаллизации льда Iси льда Ih из переохлажденной воды.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/56a/ee6/03b/56aee603b0d4f32ab2f78548dc12c912.gif)
Аморфный лёд
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/9e1/387/db4/9e1387db4d5f99d82824a1be3c0fe922.png)
Фазовая диаграмма аморфных льдов и жидкой воды.
Лёд-Iaили LDA (Low-density amorphous ice)
Если жидкую воду охладить со скоростью порядка 1 000 000 К в секунду, то молекулы не успевают сформировать кристаллическую решётку и получается аморфный лед низкой плотности, («сверхохлаждённая стекловидная вода», HGW). Второй способ — сконденсировать водяной пар на сильно охлажденной подложке («аморфная твёрдая вода», ASW).
Лёд-Ia или HDA (High-density amorphous ice)
Аморфный лёд высокой плотности можно получить сдавливая лёд «обычный» Ih при температурах ниже 140 К.
VHDA (Very-high density amorphous ice)
Аморфный лёд очень высокой плотности (2001) получают нагревом HDA до 160 К при давлении 1-2 ГПа.
Интересное видео, как лёд из одной фазы тает в другую:
Лёд Ih
![image](https://habrastorage.org/webt/no/lg/kg/nolgkgphjsdhaywx8s_9czvppr0.jpeg)
Обычный гексагональный (hexagon, поэтому Ih) кристаллический лёд. Почти весь лёд на Земле относится ко льду Ih, и лишь малая часть — ко льду Iс (сubic).
Лёд Iс (1987)
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/9c7/340/66e/9c734066e10fe4c5867940b50555dc7d.gif)
Ромбовидное расположение воды во льду Iс
Лёд-Isd
![image](https://habrastorage.org/webt/ae/uc/-o/aeuc-ocrz2jkzv24gz0my1zyzxm.jpeg)
Stacking disordered ice
Кстати, лёд Isd был «открыт» при наблюдении за солнечным гало во время ледяных игл/«алмазной пыли»:
![image](https://habrastorage.org/webt/bp/tt/ak/bpttakdwbivkdpyg1url_fxlbgy.jpeg)
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/ff2/46a/a4c/ff246aa4c6d58176b218d554a7f286ff.gif)
Треугольная снежинка из Isd
![image](https://habrastorage.org/webt/bd/aq/ql/bdaqqlefprplubc093gpp5cocnq.jpeg)
![image](https://habrastorage.org/webt/nl/j6/a4/nlj6a4l5holsbux9ujvbld61h9s.jpeg)
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/a55/e7a/c01/a55e7ac0178df416e01b78c505072983.gif)
Структура фаз Ih(a) и Iс(b).
Лёд 2 (1900)
![image](https://habrastorage.org/webt/up/dx/g1/updxg1pz6pl7y1rnlm1aft0sqfu.jpeg)
Получают лёд-II, сжимая лёд Ih при температурах от −83 °C до −63 °C (190—210 K) и давлении 300 МПа, или путём декомпрессии льда V при температуре −35 °C (238 K). При нагреве лёд-II преобразуется в лёд-III.
Предполагают, что «ледяные луны» например, Ганимед, могут быть изо льда-II.
Лёд 3
![image](https://habrastorage.org/webt/er/te/x9/ertex9982tsydq_odgxqsemgpec.jpeg)
Можно получить при охлаждении воды до −23 °C (250 K) и давлении 300 МПа.
Лёд-III — наиболее просто получаемый и доступный для исследований лёд высокого давления. Впервые он был получен из обыкновенного льда при температуре −22 °C (температура тройной точки лёд Ih — лёд III — вода) путём повышения давления до 210 МПа
Лёд 4
![image](https://habrastorage.org/webt/ns/rg/cb/nsrgcbnwhqp0g9ghjmiihmojh78.jpeg)
Получают медленным нагревом (0,4 K/мин) аморфного льда высокой плотности от температуры 145 К при постоянном давлении 0,81 ГПа.
- Ice-four (ice IV)
- Pure Ice IV from High-Density Amorphous Ice
- Ice IV – a remarkable self-interpenetrating structure
Лёд 5
![image](https://habrastorage.org/webt/c0/p3/wo/c0p3wof2qqzsabrmoyjafkv-sgg.jpeg)
Лёд-V производят охлаждением воды до 253 K (−20 °C) при давлении 500 МПа. Структура льда-V — самая сложная из всех фаз льда. Лёд V тает при 50 °С.
Лёд 6
![image](https://habrastorage.org/webt/gc/d4/tq/gcd4tqhmz8t6meho7z9lgck0myy.jpeg)
Получают при охлаждении воды до −3 °C (270 K) и давлении 1,1 ГПа. В нём проявляется дебаевская релаксация. Лёд VI тает при температуре 81 ºС (355 K) при 2,216 ГПа и при температуре около 0 ºС при 0,6 ГПа.
Является частью внутренних слоев Титана.
![image](https://habrastorage.org/webt/1e/bk/6s/1ebk6sz8jmab8p9jhbo84pxi5_c.jpeg)
Монокристалл льда VI
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/191/a30/b99/191a30b9929ebbb723f9676713cec6dc.png)
Кристаллизация воды в тетрагональный лёд VI при комнатной температуре и давлении 0.9 ГПа.
![image](https://habrastorage.org/webt/sm/jd/_4/smjd_4apbifntsn5j9tacmpaifw.jpeg)
Рост кристалла при трапецеидальном давлении.
![image](https://habrastorage.org/webt/54/ve/bx/54vebxzafbyxqtax5lo6o8nlhvy.jpeg)
Рост кристалла при синусоидальном давлении.
Лёд 7 (1969)
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/56d/71d/c6a/56d71dc6aa478243cb65eb74cd75f76a.gif)
Самый неупорядоченный лёд, в нем не только атомы водорода, но и атомы кислорода не упорядочены.
Можно получить из воды под давлением 3 ГПа при охлаждении до комнатной температуры. Так же получается изо льда VI при увеличении давления при комнатной температуре.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/d7d/5dd/9a7/d7d5dd9a7d563c4a0d917ed21a5d5e36.jpg)
- Dielectric properties of ice VII and VIII and the phase boundary between ice VI and VII
- A New State of Water Reveals a Hidden Ocean in Earth’s Mantle
- The Hunt for Earth’s Deep Hidden Oceans
- Ice-seven (Ice VII)
- Nanosecond freezing of water under multiple shock wave compression: Optical transmission and imaging measurements
- Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice
Лёд 8
![image](https://habrastorage.org/webt/c_/j9/uy/c_j9uyibqjb-ikiww8o5hob2jzu.jpeg)
Упорядоченная версия льда-VII, в котором водород зафиксирован. Получается изо льда-VII при его охлаждении ниже 5 °C.
- Ice-eight (Ice VIII)
- Theoretical study of the isostructural transformation in ice VIII
- Mechanical and molecular properties of ice VIII from crystal‐orbital ab initio calculations
Лёд 9 (1973)
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/454/2ae/7c7/4542ae7c7ccadd0f81a7fbd8a2044f2e.jpg)
Лёд-IX — метастабильная форма твёрдой воды при температурах ниже 140 K и давлении 200-400 МПа. Получается изо льда III при охлаждении.
Лёд 10 (1984)
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/4f5/fef/63b/4f5fef63b2ea6c22af2b573fed83b6d3.jpg)
Симметричный лёд с упорядоченным расположением протонов. Образуется при давлениях около 70 ГПа.
![image](https://habrastorage.org/webt/da/bd/bw/dabdbwumtefols2oe3uu4sp1klu.jpeg)
Структура льда-X (слева верх) и предсказанные вариации Pbcm, Pbca, Cmcm.
Лёд 11 (1972)
![image](https://habrastorage.org/webt/1s/um/r8/1sumr89tftzdyvpnerv_w8cql4u.jpeg)
Лёд-XI — это самая устойчивая конфигурация льда Ih с упорядоченной ориентацией протонов. Является сегнетоэлектриком (спонтанная поляризация, которую можно менять внешним электрическим полем).
Лёд 12 (2003)
![image](https://habrastorage.org/webt/8j/wg/_4/8jwg_4wopnrevpob1sphlmr1onm.jpeg)
Получается охлаждением воды до −13 °C (260 K) при давлении 0,55 ГПа. Так же лёд-XII можно получить изо льда Ih при температуре 77 K быстрым сжатием 1 ГПа/мин или нагреть аморфного льда высокой плотности до 183 К при давлении 0,8-1,6 ГПа.
Лед 13
![image](https://habrastorage.org/webt/o9/yu/39/o9yu39gqmkavrdqekxzetwjie2g.gif)
Протонно-упорядоченная вариация льда-V. Получается при охлаждении воды до 130K при давлении 500 МПа.
Лёд 14 (2006)
![image](https://habrastorage.org/webt/6k/ca/ch/6kcachhwa0tmrygsxksmnuhdpli.gif)
Модификация льда-XII, где протоны расположены упорядоченно. Образуется при заморозке воды при температуре 118 K и давлении 1,2 ГПа.
Лед 15 (2009)
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/c3c/f88/b57/c3cf88b576c8fc6cadd52d6eb54ff939.png)
Лёд-XV — форма льда-VI с упорядоченными протонами, получается при охлаждении воды до 130 К при давлении 1 ГПа.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/8c1/1e3/7f5/8c11e37f5bee719f50dee38d14792483.png)
а) фазовая диаграмма льда с некоторыми маршрутами, используемыми для изучения упорядоченной формы льда и б) как молекула воды изменяется при переходе от неупорядоченной формы льда к упорядоченной.
Лёд 16 (2014)
![image](https://habrastorage.org/webt/ve/j1/b0/vej1b0ukwpeluogyulwjicmp-d8.jpeg)
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/dab/56e/2b9/dab56e2b9885d1a1214377fb7fbbb564.png)
Лёд-XVI имеет наименьшую плотность среди всех видов льда 0,81 г/см3, топологически эквивалентен КС-II (газовые гидраты). Получается путём удаления молекул газа из клатрата неона в вакууме при температуре ниже 147 К.
![image](https://habrastorage.org/webt/fz/uu/zp/fzuuzpgladmso_ajfeztzh6gcgc.jpeg)
Фазовая диаграмма воды, расширенная до отрицательных давлений.
Лёд 17 (2015)
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/861/20c/02b/86120c02bdf795c6b6a5bf181e76e7e7.jpg)
Квадратный лед получается если зажать воду между двумя слоями графена (1 нанометр) при комнатной температуре (Андрей Гейм подсчитал, что давление там примерно 10 000 атмосфер). Возможно, встречается в природе в трещинах камней и почвы.
- Square ice in graphene nanocapillaries (PDF)
- Graphene sandwich makes new form of ice
- Новый тип льда не тает при комнатной температуре и имеет квадратную кристаллическую решетку
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/c2d/a00/be9/c2da00be998916f4584fa53ebe72f95a.png)
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/905/2a9/78c/9052a978c0a38f6c30febb2f89f997fd.jpg)
Лёд 18 (2019)
![image](https://habrastorage.org/webt/pv/-s/jt/pv-sjtcqmmrhploafjvvivlnzr0.jpeg)
Супер-ионный лёд в четыре раза плотнее обычного льда и обладает электропроводимостью.
Лед-XVIII или суперионная вода может существовать при очень высоких давлениях 50-100 ГПа (удар лазерного импульса в ячейке с алмазными наковальнями) и температуре. Молекулы распадаются на ионы. Ионы кислорода формируют гранецентрированную кубическую решетку, а ионы водорода хаотично диффундируют внутри нее.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/993/f51/fdd/993f51fdd95b64b566864520fe2c1270.jpg)
Фазовая диаграмма супер-ионного льда: объёмно-центрированный ионный лёд (синий), гранецентрированный/плотноупакованный (зелёный) и ионный лёд P21/c. Серый — кристаллический лед, жёлтый — область ионной жидкости.
- Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice
- Суперионный лёд и загадки Урана и Нептуна
Лед 19 (2021)
Различия в дифракционных картинах и строении кристаллической решетки льда-VI и льда-XIX
Если ко льду-VI применить давление от 0,88 до 2,20 гигапаскалей, то образуется лед-XV, и новый лед-XIX. Если проанализировать диэлектрическую проницаемость и нейтронную дифракцию, то придем к выводу о самостоятельности новой фазы.
![image](https://habrastorage.org/webt/tu/ev/nm/tuevnmf-eypkwa073wza9v8rxki.jpeg)
Фазовая диаграмма воды со льдом-XIX
- Experimental evidence for the existence of a second partially-ordered phase of ice VI
- Физики подтвердили полиморфизм льда и открыли лед-XIX
Онтолы по другим темам
- Онтол: подборка статей про «выгорание»
- Онтол от DeepMind: самые полезные материалы по искусственному интеллекту от мирового лидера
- Все статьи Тима Урбана (Wait But Why) на русском [46 из 99]
- Ontol: подборка видео-лекций и каналов для продвинутых программистов
- 450 бесплатных курсов от Лиги Плюща
- 75 лекций на русском от Y Combinator (из 172)
![](https://habrastorage.org/webt/wn/cq/lp/wncqlp9abeml4npwzsybuvhzcta.png)
Комментарии (33)
engine9
17.10.2021 12:09+6Верно ли то, что ни один из видов льда, который не плавится при температуре человеческого тела невозможно будет подержать в виде кубика на ладони? Они будут взрываться либо их будет невозможно сделать в таком объёме.
navferty
17.10.2021 13:09Вот тоже, было бы интересно почитать, возможно ли сколько-нибудь продолжительное существование льда в таких формах при атмосферном давлении и комнатной температуре (или хотя бы в диапазоне от -40 до + 50 по Цельсию). Если да, какие будут у него физические свойства.
MagisterLudi Автор
17.10.2021 13:48+3Искал эту информацию и не нашел 100% внятную.
Вот фазовая диаграмма, по которой видно, что в точке комнатных температур и давлений есть только обычный лед и вода:Pendel
17.10.2021 16:47+1На ускорителе тяжелых частиц возле г. Дармштадт в Германии при облучении тяжелыми ионами удалось "стабилизировать" нестабильную при н.у. фазу, по-моему, оксида Гафния. Механизм такой стабилизации, на сколько я помню, до конца не был понят. После облучения материала внутри алмазной ячейки под давлением - такая фаза высокого давления оставалась и при атмосферном давлении. Чисто гипотетически есть ненулевая вероятность, что и с какой-нибудь фазой льда может что-то подобное получиться.
MagisterLudi Автор
17.10.2021 13:57+2
kotbaun
17.10.2021 13:08без этого будет неполным http://scpfoundation.net/scp-009
addewyd
17.10.2021 13:14Физических характеристик нет. Так не интересно.
MagisterLudi Автор
17.10.2021 14:50Какие характеристики вас интересуют?
azTotMD
17.10.2021 16:31Зависимости плотности, теплоемкости от температуры и давления
MagisterLudi Автор
17.10.2021 16:43+1Самый исчерпывающий ресурс по льдам (в архиве): Water Structure and Science
Может там что найдете
Pyhesty
17.10.2021 13:17+2то странное чувство на хабре, когда заходишь почитать про 19 видов гибсоновского льда и ледоколы, а тут про действительно про лед...
alnite
17.10.2021 13:39+2Познавательный обзор, спасибо.
А мне сразу вспоминается роман или рассказ фантастический то ли Ефремова, то ли Шеффнера или кого-то другого, где один из персонажей изобрел/реализовал сверхтвёрдое состояние воды, когда из нее можно "строить" подводные туннели на больших глубинах и другие прочные конструкции. (из других подробностей произведения только катание героя на буере с красным парусом по зимнему Финскому заливу. роман старый, советского периода).
И та фантастическая идея теперь уже и не фантастика, а один из вариантов льда, например :)
BubaVV
19.10.2021 01:05+1Возможно, что-то такое было у Беляева. Но точно не вспомню
alnite
20.10.2021 22:39Хм, может и Беляев.
Мне почему-то ещё настойчиво всплывает воспоминание, что вроде бы в этом же романе в дальнейшем описываются события прибытия земной экспедиции на другую планету, где учёный изобрёл такую линзу, что светом пропущенным через неё и направленным на человека излечиваются абсолютно все его болезни. А потом случилась катастрофа, как раз перед прилётом землян...
А может это вообще в сборнике было...
nordfox
17.10.2021 14:25Тема интересная. Но текст не вычитан. То падежи не по-русски, то слов не хватает. Поправьте пожалуйста.
third112
17.10.2021 15:15наряду с обычным димером HO-H...OH2 стабильной является также и ионная пара
HO...H-OH2.ИМХО лучше написать:
HO-+H-OH2
Maxim_Q
01.11.2021 02:50Какая практическая польза от того что мы знаем столько видов льда?
MagisterLudi Автор
01.11.2021 22:10+1Фарадея тоже чмырили вопросами о практической пользе электричества.
«Записали» его в раздел «развлечения/фокусы».
belch84
Сразу вспомнил Курта Воннегута и его «лёд-девять» из «Колыбели для кошки»
tyomitch
Они упомянуты прямо в первом абзаце статьи.
belch84
Читал по диагонали, сделал поиск по «Воннегут», ничего не нашел и решил, что упоминаний об этом в статье нет
ptica_filin
Получается, что в реальности на место льда-девять подойдёт скорее лёд-5 или лёд-6
MagisterLudi Автор
Скорее расчетный Лед-χ (лед хи):
![image](https://habrastorage.org/r/w780q1/webt/xt/p6/65/xtp665gvyaeohkfq9ifzg4k_oko.jpeg)
Room temperature electrofreezing of water yields a missing dense ice phase in the phase diagram (2019)