Вода здається буденною речовиною, без якої неможливе життя. Але з погляду фізики вона поводиться вкрай незвично: лід легший за рідку воду, поверхневий натяг дуже високий, а за молекулярною масою при кімнатній температурі вона взагалі мала б бути газом. Якщо ж змінити тиск і температуру, дивні властивості води стають ще екстремальнішими.
У новій роботі науковці продемонстрували одну з найдивніших форм льоду, яку будь-коли спостерігали. За тиску до 2,3 мільйона атмосфер і температур до 2630 кельвінів (приблизно 2357 °C) вони отримали нову фазу так званого суперіонного льоду. Про це повідомляє видання ScienceAlert.
Що таке суперіонний лід
За звичайних умов при таких температурах вода мала б бути газом, частково розпадаючись на атоми водню й кисню. Але за тиску в мільйони атмосфер, подібного до того, що панує в надрах планет, розширення пари блокується. Вода залишається надзвичайно щільною і переходить у екзотичні стани, яких немає на поверхні Землі.
Один із таких станів — суперіонний лід. Це дивна фаза, що не є ані повністю твердою, ані повністю рідкою. Атоми кисню утворюють жорстку кристалічну ґратку, як у звичайному льоді, тоді як ядра водню вільно рухаються крізь цю ґратку, подібно до частинок у рідині. За різних поєднань тиску й температури розташування атомів кисню змінюється, утворюючи різні кристалічні фази.
Нині відомі понад два десятки фаз льоду, і деякі з них за екстремальних умов стають суперіонними. Такі стани цікавлять не лише через «дивність»: вважається, що суперіонний лід існує в глибинах Урана й Нептуна і може впливати на формування їхніх незвичайних магнітних полів.
Експеримент під тиском мільйонів атмосфер
Команда під керівництвом фізика Алексіса Форестьє (Alexis Forestier) з Французької комісії з альтернативних джерел енергії та атомної енергії досліджувала, як вода поводиться за умов, подібних до надр крижаних гігантів. Маленькі зразки води стискали між загостреними алмазами до тиску 230 гігапаскалів, а потім нагрівали лазерами до кількох тисяч градусів.
Для порівняння, це приблизно у 2,3 мільйона разів більше за атмосферний тиск на рівні моря. Тиск у центрі Землі оцінюють приблизно у 360 гігапаскалів, тож експериментальні умови були близькими до планетарних надр.
Щоб простежити, як змінюється кристалічна структура льоду, дослідники використовували дуже вузький пучок синхротронного рентгенівського випромінювання. Аналіз дифракційної картини показав конфігурацію, яку раніше лише передбачали теоретично, але не спостерігали однозначно в експериментах: щільноупакований гексагональний (hcp) лід.
Під час нагрівання цієї структури її розширення мало характерні ознаки суперіонної поведінки, що вказує на перехід у суперіонний стан приблизно за температури 1700 кельвінів.
Нова кристалічна фаза: hcp проти fcc
Назва hcp описує спосіб, у який упаковані атоми кисню. Якщо уявити, що ми щільно складаємо однакові кулі шарами, існує кілька варіантів, як саме можна розташувати ці шари. Раніше для суперіонного льоду вже ідентифікували фазу з гранецентрованою кубічною (fcc) структурою. У новій hcp-фазі шари атомів кисню укладені в іншій послідовності.
Дослідники виявили, що за зміни умов одна структура може переходити в іншу, коли шари зміщуються. Ця трансформація відбувається зі зростанням тиску й температури.
За тиску 155 гігапаскалів і температури 2000 кельвінів рентгенівський сигнал був сумішшю fcc і hcp. Коли параметри збільшили до 197 гігапаскалів і 2250 кельвінів, внесок hcp посилився. За фінальних умов — 219 гігапаскалів і 2630 кельвінів — сигнал від fcc майже зник, а hcp чітко домінував.
Переглянувши дані попередніх експериментів, команда помітила, що вже раніше фіксувала невідомий пік рентгенівської дифракції за тиску понад 130 гігапаскалів. Тепер дослідники вважають, що це теж був підпис hcp-фази, яку тоді просто не розпізнали.
Отримані результати свідчать, що за тиску понад приблизно 200 гігапаскалів hcp може ставати більш стабільною формою суперіонного льоду, ніж fcc.
Що це означає для планет-гігантів
На перший погляд, різниця між двома типами пакування атомів здається мізерною — це зміни на атомному рівні. Але для планетарної фізики це може мати великі наслідки. Якщо hcp-лід проводить електрику інакше, ніж fcc, його наявність у глибинах Урана й Нептуна здатна змінити моделі того, як речовина та електричний заряд рухаються в їхніх надрах.
Такі процеси вважають ключовими для формування дивних, асиметричних магнітних полів цих планет. Однак властивості нової фази поки що майже невідомі: її щойно надійно зафіксували в лабораторії.
Автори роботи закликають до подальших теоретичних досліджень, щоб розібратися в характеристиках hcp-суперіонного льоду, зокрема в його механічній пластичності та електропровідності. Потрібні й нові експерименти, щоб точніше окреслити діапазони тиску й температури, де hcp-лід стабільніший за fcc.
Вода залишається однією з найнезвичніших молекул у природі, а суперіонний лід робить її ще загадковішою. Науковці лише починають розкривати, як вона поводиться в екстремальних умовах, подібних до надр далеких планет.