Наукова спільнота здійснила значний прорив у вивченні фундаментальних характеристик води, оголосивши про відкриття двадцять першої форми льоду, яку позначили як Лід XXI. Це відкриття, деталі якого були опубліковані у престижному журналі «Nature Materials», суттєво змінює наші усталені уявлення про те, як молекули H2O можуть формувати структуру у твердому стані. Особливо це стосується ситуацій, коли порушуються звичні температурно-баричні межі. Лід XXI є метастабільною фазою, що має тетрагональну кристалічну структуру. Вона змогла сформуватися за кімнатної температури, але лише під впливом колосального стиснення. Це свідчить про надзвичайну пластичність матерії, яку ми вважаємо такою звичною.
Дослідження, що призвели до цього вражаючого результату, проводилися на передових європейських об'єктах: Європейському рентгенівському лазері XFEL та джерелі фотонів PETRA III, розташованих у німецьких дослідницьких центрах, зокрема DESY. Ключову роль у реалізації експерименту відіграли вчені з Корейського науково-дослідного інституту стандартів і науки (KRISS). Суть інноваційного підходу полягала у безпрецедентно швидкій маніпуляції з водним зразком. Воду стискали до тиску, що сягав 2 гігапаскалів, що приблизно дорівнює 20 000 атмосфер, і робили це всього за 10 мілісекунд. Для досягнення таких екстремальних умов використовувалася спеціальна комірка з алмазними ковадлами.
Цей складний процес повторювався тисячі разів, а молекулярні зміни фіксувалися з неймовірною швидкістю — один мільйон знімків на секунду. Така висока частота зйомки дозволила дослідникам детально відстежити динаміку процесу кристалізації. Нова структура Льоду XXI кардинально відрізняється від двадцяти інших, вже відомих науці модифікацій льоду. Її тетрагональна ґратка вирізняється наявністю незвично великих елементарних комірок. Аналіз, проведений на променевій лінії P02.2 PETRA III, показав, що кожна така комірка містить 152 молекули води.
Як пояснив Гин У Лі з KRISS, настільки швидке стиснення дозволило воді зберегти рідкий стан при тиску, за якого вона вже мала б перейти у фазу Лід VI. Існування Льоду VI припускається у надрах крижаних супутників, таких як Титан і Ганімед. Це відкриття підтверджує, що кінетика процесу (швидкість стиснення) є критично важливим фактором, що визначає кінцеву кристалічну форму. Демонстрація того, що вода може обходити очікувані фазові переходи, є справжнім науковим тріумфом.
Хоча пряме побутове застосування цього відкриття наразі обмежене через екстремальні умови його формування, його значення для астрофізики та планетології важко переоцінити. Розуміння поведінки води в таких екстремальних режимах відкриває нові горизонти для моделювання внутрішньої будови крижаних планет та їхніх місяців. Це знання слугує каталізатором для перегляду існуючих моделей, оскільки кожна нова фаза, подібна до Льоду XXI, виявляє приховані можливості матерії. Сам факт такої складної мінливості води, субстанції, що здається нам такою простою, нагадує про безмежний потенціал пізнання, спонукаючи дослідників до подальшого пошуку ще не виявлених високотемпературних метастабільних станів.