Исследователи из японского Университета Окаямы, изучая области отрицательного давления на симуляциях молекулярной динамики, теоретически открыли новую группу фаз льда – аэрольды. Материал имеет наименьшую плотность среди известных кристаллов.

Выводы проекта опубликованы в The Journal of Chemical Physics.

«Наше исследование, впервые рассмотревшее всю область отрицательного давления, является значительным шагом в изучении этого сложного участка фазовой диаграммы, — сказал соавтор работы, Масакадзу Мацумото. – Льды с плотностью меньше нормальной демонстрируют многообразие».

Открытие должно помочь в понимании основных свойств и поведения воды в нанотрубках, нанопорах и биомолекулах.

Экспериментальным путем было обнаружено 17 фаз льда. Только две имеют плотность меньше, чем у нормального материала. В 2014-м команда исследователей обнаружила 16-ю фазу льда, формирующегося при отрицательном давлении. Молекулы собираются в цеолит, трехмерную кристаллическую решетку, удерживающую гостевые структуры. После их удаления ученые получили стабильный лед малой плотности при сильном отрицательном давлении. Используя ту же методику, другая команда открыла в 2016-м 17-ю фазу.

Исследователи из Университета Окаямы отметили все возможные формы льда, способные существовать в области отрицательного давления. Зная о схожести структур двуокиси кремния и замерзшей воды, они извлекли из базы данных 200 цеолитов SiO₂. В них исследователи изменили расположение атомов. Они удалили кислород и кремний. Последний заменили атомом O и добавили водород, чтобы структура вела себя как лед.

Плотность материала был примерно в 2 раза меньше, чем у воды (около 0,5 г/см куб.). Исследователи показали, что новая фаза более стабильна, чем любой ранее рассматриваемый цеолит. Они симулировали структуры меньшей плотности – между 0 и 0,5 г/куб. см, добавив многогранные блоки к цеолитным каркасам. Полученная конструкция была более редкой, но отвечала структурным правилам льда. Аэрольды, по словам авторов, способны стабильно существовать при определенных термодинамических условиях при отрицательном давлении.