Jää on maistes tingimustes kristalliline ja korrapärane, mida peegeldab muu hulgas lumehelveste sümmeetriline kuju. Kosmosele iseloomulikes äärmiselt külmades oludes pole veemolekulidel aga kristallstruktuuri moodustamiseks piisavalt energiat. Seetõttu eeldasid ka teadlased pikka aega, et sealne jää on amorfne. Teisisõnu on selle molekulid paigutunud sarnaselt vedela veega korrapäratult.

Nüüd Londoni Ülikooli Kolledži ja Cambridge'i Ülikooli teadlaste sulest ilmunud uuring seab selle laialt levinud seisukoha kahtluse alla. Nad võtsid luubi alla madala tihedusega amorfse jää (LDA), mida leidub komeetides, jäistel kuudel ning tähtede ja planeetide tekkepiirkondade tolmupilvedes. Sama tüüpi jää mängib olulist rolli paljudes kosmoloogilistes protsessides, mõjutades nii planeediteket kui ka universumi aineringet laiemalt.

Michael Davies kasutas oma kolleegide avastuse tegemiseks nii arvutisimulatsioone kui ka laborikatseid. Esiteks lõid nad kahe laialt levinud veemudeli abil arvutis virtuaalseid jääkuubikuid, jahutades vett eri kiirustel. Samuti katsetasid nad vastupidise lähenemisega, ehitades jäästruktuuri paljudest väikestest kristallidest ja lastes sel seejärel tasakaalulisse olekusse loksuda.

Mõlemal juhul võrdlesid uurijad simulatsioonide tulemusi varasemates katsetes röntgendifraktsiooni abil mõõdetud päris amorfse jää struktuuriga. Selgus, et kõige paremini klappisid katseandmetega need mudelid, kus jää polnud täielikult amorfne ega ka täielikult kristalliline.

Kõige rohkem sarnanes katseliselt kogutud andmetega osaliselt kristalliline struktuur, kus umbes 13–25 protsenti ainest moodustasid korrapärased nanokristallid, mis olid põimunud amorfsesse maatriksisse. Tekkinud kristallid olid seejuures imetillukesed, läbimõõduga umbes 2,5 nanomeetrit.

Hüpoteesi kinnitamiseks tegid teadlased ka päris katseid. Nende käigus soojendasid nad laboris eri viisidel valmistatud amorfse jää proove, sundides neid rekristalliseeruma. Tulemused näitasid, et lõplik kristallstruktuur sõltus sellest, kuidas amorfne jää algselt tekkis.

Uurijate sõnul võib võrrelda seda omamoodi mäluga. Kui jää oleks olnud täiesti korrapäratu, poleks sel oma päritolust mingit mälestust ja see kristalliseeruks alati ühtemoodi. Kuna jää aga oma minevikku piltlikult mäletas, viitabki see, et selle massis olid juba varem olemas väikesed kristallilised "seemned", mis edasist kristalliseerumist suunasid.

Laiem mõju

Tulemused ei muuda üksnes arusaama kosmosejääst, vaid võivad mõjutada ka veeteadust laiemalt. Näiteks on madala tihedusega amorfne jää kesksel kohal vee anomaaliate selgitamisel, sealhulgas laialt vaidlustatud kahe vedeliku mudelis.

Lisaks on avastusel mõju panspermia hüpoteesile, mille järgi võisid elu ehituskivid Maale saabuda komeedijääs. Osaliselt kristalliline jää on aga elumolekulide transportimiseks kehvem keskkond, sest korrapärases struktuuris on vähem ruumi, kuhu orgaanilised ühendid saaksid kinnituda.

Samuti aitab avastus paremini mõista teisi amorfseid materjale, mida kasutatakse näiteks fiiberoptilistes kaablites ja muudes tehnoloogiates. Näiteks peavad olema klaaskiud oma ülesande täitmiseks korrapäratud. Kui need sisaldavad pisikesi kristalle ja insenerid suudavad need eemaldada, võiks see nende jõudlust parandada.

Uurimisrühm, kuhu kuulusid teadlased nii Londoni Ülikooli kolledžist kui ka Cambridge'i Ülikoolist, avastas 2023. aastal ka keskmise tihedusega amorfse jää. Viimase tihedus on vedela veega samaväärne. See viitab Daviese ja kolleegide sõnul, et vee ja selle eri vormide uurimisel on veel palju avastada.

Teadlased kirjutavad oma avastusest ajakirjas Physical Review B.