Vědci z University College London (UCL) a Univerzity v Cambridgi přicházejí s revolučním zjištěním, které může zásadně změnit naše chápání vody, ledu i života ve vesmíru. V novém výzkumu publikovaném v časopise Physical Review B odhalili, že tzv. nízkohustotní amorfní led – dosud považovaný za chaotickou, beztvarou formu – obsahuje drobné krystalky, zhruba o šířce jednoho pramene DNA. Tyto krystaly jsou natolik malé, že dosud unikal jejich detailní popis, přesto mohou zásadně ovlivnit procesy formování planet i galaxií.

Kosmický led pod mikroskopem

Vesmírný led, na rozdíl od toho pozemského, nevzniká jako krásné sněhové vločky, ale tvoří se při extrémně nízkých teplotách, kde molekuly vody nemají dost energie k vytvoření pravidelné krystalické struktury. Vědci proto předpokládali, že jde o tzv. amorfní materiál – naprosto neuspořádaný. Nový výzkum však tuto představu rozbíjí. Pomocí počítačových simulací a laboratorních experimentů vědci zjistili, že uvnitř tohoto „chaosu“ se ukrývají pravidelně uspořádané mikrokrystaly.

Tyto struktury, zhruba třínanometrové, vznikají i při velmi nízkých teplotách a zůstávají ukryté uvnitř jinak nepravidelného ledu. Jejich přítomnost může ovlivnit nejen fyzikální vlastnosti ledu, ale i to, jak v sobě zachytává a uchovává další molekuly – včetně těch, které jsou považovány za stavební kameny života.

Zdroj: Shutterstock

Proč na tom záleží?

Podle vedoucího autora studie Michaela B. Daviese jde o klíčové zjištění pro celý vesmírný výzkum. Led je ve vesmíru mimořádně rozšířený – tvoří povrch mnoha měsíců, je součástí komet a nachází se i v oblacích prachu, kde vznikají nové hvězdy a planety. Pokud je tento led částečně krystalický, je třeba znovu přehodnotit dosavadní modely vzniku planet a chemických reakcí probíhajících ve vesmíru.

Objev má také dopad na jednu z nejzajímavějších a nejdiskutovanějších hypotéz: tzv. panspermii. Ta tvrdí, že základní stavební bloky života se na Zemi dostaly na kometách. Dlouho se předpokládalo, že právě amorfní led komet je vhodným „nosičem“ těchto molekul, protože díky své neuspořádanosti má spoustu dutin a prostorů, kde se molekuly mohou uschovat. Nový výzkum ale naznačuje, že částečně krystalický led tyto prostory omezuje.

„Náš výzkum ukazuje, že takový led není úplně ideální pro přenos složitějších molekul,“ uvedl Davies. „To ale neznamená, že teorie panspermie je vyvrácená – krystalické oblasti se totiž střídají s amorfními, a v těch by se molekuly života mohly stále zachytit.“

Když voda zamrzne ve virtuální realitě

Pro pochopení struktury ledu vědci nejprve použili dva různé počítačové modely molekul vody, které nechali „zamrznout“ při teplotě −120 °C. Různé rychlosti ochlazení vedly ke vzniku ledu s různým poměrem amorfních a krystalických oblastí. Největší shodu s reálnými vzorky vědci zaznamenali u modelu, kde bylo zhruba 20–25 % krystalického ledu.

V druhé fázi výzkumu simulovali větší struktury – složené z desítek drobných krystalů těsně vedle sebe. Mezi nimi se vytvořily nepravidelné amorfní oblasti, čímž vznikla směs, která se výrazně podobala výsledkům ze skutečných měření pomocí rentgenové difrakce.

Laboratorní led a jeho paměť

Teorie pak vědci ověřili i experimentálně. Vytvořili různé vzorky amorfního ledu: jeden způsobem, jakým vzniká ve vesmíru (usazováním vodní páry na mrazivém povrchu), jiný stlačením ledu při extrémních teplotách. Když tyto vzorky pomalu zahřívali, zjistili, že výsledná krystalická struktura závisí na způsobu, jakým byl amorfní led vytvořen. Jinými slovy: led si „pamatuje“, jak vznikl – což by nebylo možné, kdyby byl skutečně zcela neuspořádaný.

Led jako high-tech materiál

Výzkum vesmírného ledu má i praktické dopady. Pokud se například ukáže, že i skleněná vlákna nebo jiné amorfní materiály obsahují miniaturní krystaly, může to vést ke zlepšení jejich vlastností. Jak poznamenal profesor Christoph Salzmann z UCL, „pokud takové krystaly v technologických materiálech najdeme a naučíme se je odstraňovat, může to zásadně zlepšit jejich výkon.“

Zároveň se ukazuje, že voda – zdánlivě jednoduchá molekula – stále skrývá zásadní tajemství. A klíčem k jejich odhalení může být právě led ve své kosmické podobě. Jak poznamenal profesor Angelos Michaelides z Cambridgi: „Voda je základem života, ale stále jí úplně nerozumíme. Amorfní ledy možná obsahují odpovědi, které hledáme už desítky let.“