Naukowcy od ponad 150 lat próbują zrozumieć, jak zamarza woda. Problem wydaje się prosty, ale modele matematyczne potrafią mylić się nawet o 20 rzędów wielkości. Teraz, dzięki potężnym laserom rentgenowskim, badacze po raz pierwszy obserwują pierwsze mikrosekundy narodzin kryształów w przechłodzonych cieczach. Liczą, że pomoże to rozwiązać jedną z najstarszych zagadek fizyki materii

Kostki lodu w szklance, śnieg spadający zimą z nieba czy szron na szybie wydają się czymś całkowicie zwyczajnym. Tymczasem fizycy od dziesięcioleci nie potrafią dokładnie wyjaśnić jednego z najbardziej podstawowych procesów zachodzących w przyrodzie: jak ciecz zamienia się w ciało stałe. Problem jest poważny, że obecne modele potrafią dawać wyniki różniące się od eksperymentów nawet o 20 rzędów wielkości. Innymi słowy, model może przewidywać, że kropla wody zamarznie niemal natychmiast albo dopiero po czasie dłuższym niż wiek Wszechświata.

Nie jest to wyłącznie akademicka zagadka. Lepsze zrozumienie procesu zamarzania mogłoby pomóc klimatologom dokładniej opisywać powstawanie chmur lodowych, geofizykom wyjaśnić proces formowania się ziemskiego jądra, a inżynierom skuteczniej kontrolować krzepnięcie metali i stopów.

Michele Parrinello z Università della Svizzera italiana w Lugano w rozmowie z magazynem Nature przyznał, że problem jest trudny na każdym etapie. „Eksperymenty są bardzo trudne. Teoria jest trudna, symulacje komputerowe również są trudne”. A nawet niewielkie błędy mogą prowadzić do ogromnych rozbieżności w wynikach.

Dlaczego zamarzanie jest tak trudne do opisania?

Podstawy współczesnych teorii powstały jeszcze w XIX w. za sprawą amerykańskiego fizyka Josiaha Willarda Gibbsa. Opisał zamarzanie jako rywalizację dwóch stanów materii. Schłodzone cząsteczki mogą przejść do bardziej uporządkowanej, krystalicznej struktury, ale utworzenie pierwszego kryształu wymaga pokonania bariery energetycznej. Początkowo niewielkie skupiska cząsteczek są niestabilne i szybko się rozpadają. Dopiero gdy osiągną odpowiedni rozmiar, stają się zalążkiem rosnącego kryształu lodu.

Na tej podstawie powstała klasyczna teoria nukleacji, która do dziś pozostaje fundamentem większości modeli opisujących krystalizację. Problem polega na tym, że teoria wymaga wielu założeń dotyczących właściwości powstającego kryształu. Nawet niewielkie różnice w tych założeniach mogą prowadzić do ogromnych rozbieżności w przewidywaniach.

Skala problemu jest imponująca. Teoretyczne obliczenia pokazują, że w przypadku idealnie czystej wody niewielka zmiana temperatury może całkowicie zmienić tempo zamarzania. Jak powiedział Nature Robert Grisenti z Centrum Badań Ciężkich Jonów GSI Helmholtza w Darmstadt, kropla wody w temperaturze minus 20 st. Celsjusza mogłaby pozostać ciekła przez miliardy lat, podczas gdy po schłodzeniu do minus 35 stopni zamarzłaby w ułamku sekundy.

Pierwsze mikrosekundy narodzin lodu

Przełom przyniosły eksperymenty prowadzone w Europejskim Rentgenowskim Laserze na Swobodnych Elektronach (XFEL) pod Hamburgiem. Urządzenie generuje niezwykle krótkie impulsy promieniowania rentgenowskiego, dzięki którym naukowcy mogą wykonywać swoiste „zdjęcia” procesów zachodzących na poziomie atomowym.

Badacze wykorzystali tę technologię do obserwacji procesu krystalizacji. Strumienie ciekłego kryptonu i argonu przepuszczano przez próżnię, gdzie szybko się ochładzały. Kolejne impulsy promieniowania rentgenowskiego rejestrowały zmiany w rozmieszczeniu atomów, pozwalając odtworzyć pierwsze mikrosekundy narodzin kryształów.

Gdy wyniki eksperymentów porównano z przewidywaniami modeli komputerowych, okazało się, że rozbieżności nadal są znaczące. Teoria przewidywała tempo powstawania kryształów od stu do tysiąca razy większe niż obserwowane w laboratorium. Był to jednak wyraźny postęp w porównaniu z wcześniejszymi badaniami, w których różnice potrafiły być znacznie większe.

Wyniki sugerują, że fizycy zaczynają coraz lepiej rozumieć mechanizmy odpowiedzialne za pierwsze etapy krystalizacji.

W narodzinach lodu może rządzić nieporządek

Jednym z najbardziej zaskakujących rezultatów nowych badań jest rola nieuporządkowanych struktur. Klasyczna teoria zakłada, że pierwszy zalążek kryształu ma prostą, regularną formę. Coraz więcej danych wskazuje jednak, że rzeczywistość jest znacznie bardziej skomplikowana.

Powstające kryształy mogą przyjmować nieregularne kształty, a ich wewnętrzna struktura bywa częściowo chaotyczna. Symulacje komputerowe sugerują również, że młode kryształy lodu często zawierają mieszaninę dwóch różnych układów krystalicznych. Obok typowej struktury heksagonalnej pojawia się mniej stabilna struktura sześcienna. Powstaje wówczas swoisty „bałagan” w układzie kolejnych warstw kryształu.

Wstępne wyniki sugerują, że również w przypadku kryptonu podczas wzrostu kryształów pojawiają się zaburzenia w rozmieszczeniu kolejnych warstw atomów. Badacze chcą teraz sprawdzić, czy takie struktury mogą wpływać na tempo krystalizacji.

Od chmur po wnętrze Ziemi

Choć większość lodu w atmosferze powstaje wokół drobin pyłu, popiołu wulkanicznego czy aerozoli biologicznych, istnieją miejsca, gdzie krystalizacja zachodzi spontanicznie. Dzieje się tak między innymi w górnej troposferze, gdzie temperatury regularnie spadają poniżej minus 40 st. Celsjusza. Powstające tam chmury pierzaste, zbudowane z mikroskopijnych kryształków lodu, odgrywają ważną rolę w bilansie energetycznym planety.

Lepsze modele zamarzania mogłyby pomóc klimatologom dokładniej opisywać zachowanie tych chmur, a tym samym poprawić prognozy dotyczące przyszłych zmian klimatu.

Problemy z opisem krystalizacji pojawiają się również w geofizyce. Według części hipotez stałe żelazne jądro Ziemi powstało właśnie dzięki spontanicznej krystalizacji ciekłego metalu. Niektóre obecne modele sugerują jednak, że taki proces trwałby nawet dłużej, niż istnieje sama planeta.

Dlatego badania nad zamarzaniem dotyczą nie tylko kostek lodu w zamrażarce. To próba zrozumienia zjawiska, które wpływa na klimat, budowę planet i właściwości materiałów wykorzystywanych przez człowieka. A także przypomnienie, że nawet pozornie najprostsze procesy przyrodnicze mogą wciąż skrywać fundamentalne tajemnice.

Źródło

Mark Buchanan, How ice forms is a mystery — now scientists are cracking the case, Nature, 9 czerwca 2026.

• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi