Группа физиков из США и Испании нашла объяснение одному необычному свойству льда, которое проявляется при замене водорода его более тяжёлым изотопом.
В отличие от многих «аномальных» характеристик воды и льда (скажем, достижения максимальной плотности при уменьшении температуры Т до +3,98 ˚C и падения плотности в процессе дальнейшего охлаждения), хорошо известных даже неспециалистам, эффект, заинтересовавший авторов, очень редко упоминается в литературе. Суть его состоит в том, что кристалл обычного гексагонального льда Ih расширяется в результате замены Н2О на D2О, или воды на тяжёлую воду.
Само изменение объёма при замещении изотопа никого уже не удивляет: это явление, связанное с чисто квантовым эффектом — нулевыми колебаниями частиц, сохраняющимися при понижении Т вплоть до 0 К, — давно охарактеризовано и экспериментально, и теоретически. Другое дело, что «квантовое» расширение кристаллических решёток практически всегда демонстрирует бóльшую амплитуду в случае лёгких изотопов. Объём 20Ne, к примеру, увеличивается на 0,6% относительно 22Ne при Т = 0, что соответствует расширению сразу на ~12% относительно гипотетической «классической» решётки с точно локализованными в узлах атомами.
У воды, как мы уже говорили, наблюдается нестандартная обратная зависимость: при Т = 0 Н2О уступает по объёму D2О на ~0,1%. Кроме того, с ростом температуры разница становится более заметной, и на Т = 250 К она составляет уже 0,25%. Гораздо более логичным, очевидно, было бы уменьшение разницы, поскольку квантовые эффекты должны терять значимость при нагревании.
Пытаясь разобраться в этом вопросе, авторы провели собственные эксперименты с образцами Н2О, D2О и Н218О по методу рентгеновской дифракции. Измерения показали, что замена кислорода на более тяжёлый его изотоп, в отличие от аналогичной замены водорода дейтерием, приводит к уменьшению объёма на 0,06% при Т = 100 К. Температурная зависимость в этом случае также оказывается обычной, и при 220 К объём снижается на вдвое меньшую величину, чем на уровне 100 К.
Когда физики попробовали смоделировать полученные результаты, выяснилось, что поведение водного льда адекватно описывается расчётами из первых принципов в рамках теории функционала плотности. Необычные свойства Н2О учёные связали с особенностями ковалентной (OH) и водородной (OH—O) связей, показав, что ожидаемый переход к «классическому» случаю, в котором различия между изотопами исчезают, начинается с довольно высокой температуры Т > ~900 К.
Отчёт, подготовленный американо-испанской группой, опубликован в журнале Physical Review Letters; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.
