Вода — одна з найпоширеніших і найважливіших речовин у світі. Без її властивостей як майже універсального розчинника ми не можемо функціонувати. Вона падає з неба, ми купаємося в ній, п’ємо її та використовуємо для розваг.
Але якщо розглядати воду лише як рідину, вона є дуже дивною, поводячись зовсім не так, як інші рідини. Вона стає менш щільною, коли замерзає, має надзвичайно високе поверхневе натяг, а також аномально високу температуру кипіння. За своєю молекулярною вагою, вона повинна бути газом при кімнатній температурі.
Це все відбувається за нормальних умов на Землі. Якщо змінити тиск і температуру, поведінка води стає ще більш незвичайною.
Вчені тепер продемонстрували одну з найдивніших форм льоду — під тиском до 2,3 мільйона атмосфер і температурах до 2630 кельвінів (приблизно 2357 °C).
При таких температурах зазвичай очікується, що вода буде газом, навіть частково розпадеться на свої складові атоми кисню та водню. Але в умовах астрономічного тиску, що спостерігається глибоко всередині планет, відбувається щось цікаве.
Коли вода переходить з рідкого стану в газоподібний, вона розширюється. Під тиском мільйонів атмосфер це розширення стримується. Натомість вода може залишатися надзвичайно щільною, набуваючи екзотичних форм, які не зустрічаються на поверхні Землі.
Одна з цих форм — суперйонний лід — це дивний стан матерії, який не є повністю твердим і не є повністю рідким. Його атоми кисню залишаються зафіксованими в жорсткій кристалічній решітці, як у твердому тілі, але ядра водню рухливі, дифундують через цю решітку, більше нагадуючи частинки в рідині.
При дещо інших умовах розташування атомів кисню змінюється в різні конфігурації, відомі як фази. Відомо близько двадцяти фаз водяного льоду, деякі з яких стають суперйонними за екстремальних умов.
Це не просто дивина заради дивини. Суперйонний лід, ймовірно, існує глибоко всередині Урану та Нептуна, де його незвичайні властивості можуть відігравати роль у формуванні магнітних полів цих планет.
У нових експериментах команда на чолі з фізиком Алексісом Форестієром з Французької альтернативної енергетичної та атомної енергетичної комісії піддавала маленькі зразки води екстремальним умовам, які очікуються в надрах льодових гігантів.
Вони стиснули зразки між кінчиками алмазів до тисків до 230 гігапаскалів, використовуючи лазери для нагрівання до тисяч градусів. Це 2,3 мільйона разів більше, ніж атмосферний тиск на рівні моря на Землі.
Потім, використовуючи вузький пучок синхротронних рентгенівських променів, вони досліджували зміни в кристалічній структурі льоду.
В результаті з’явилася конфігурація, яка теоретично була передбачена, але ніколи не спостерігалася в експериментах: гексагонально щільно упакований лід (hcp). Коли кристал hcp нагрівали, його розширення також показувало ознаки суперйонної поведінки, що свідчить про те, що він увійшов у суперйонний стан приблизно при 1700 кельвінах.
Ця назва стосується розташування атомів кисню. Уявіть, що ви пакуєте однакові кулі в шари; існує кілька різних способів, як ці шари можуть бути упаковані, щоб максимально щільно заповнити простір.
Одна з раніше виявлених форм суперйонного льоду має кубічну структуру з гранями (fcc). У новій формі hcp шари упаковані в іншій послідовності. Дослідники виявили, що одна форма може перетворюватися в іншу, коли шари змінюють своє положення.
Ця трансформація, здається, відбувається в умовах зростаючого екстремального тиску та температури.
При 155 гігапаскалях і 2000 кельвінах сигнал, отриманий з рентгенівського зонда, був сумішшю fcc і hcp. При 197 гігапаскалях і 2250 кельвінах підпис hcp став сильнішим відносно fcc. При фінальному наборі умов — 219 гігапаскалів і 2630 кельвінів — підпис fcc майже зник, а hcp явно домінував.
Цікаво, що це, можливо, не був перший раз, коли дослідники отримали hcp лід. Озираючись на дані з попереднього експерименту, вони зрозуміли, що раніше невизначений пік рентгенівської дифракції, спостережуваний вище 130 гігапаскалів, ймовірно, був підписом hcp льоду — вони просто не розпізнали його тоді.
Їх результати свідчать про те, що при тисках вище 200 гігапаскалів hcp може стати більш стабільним станом суперйонного льоду.
Це може здаватися відносно незначною зміною — буквально на атомному рівні — але ця різниця може мати великі наслідки для Сонячної системи.
Якщо hcp лід проводить електрику інакше, ніж fcc лід, його присутність глибоко всередині Урану та Нептуна може змінити моделі того, як матеріал і електричний заряд переміщуються через їхні надра — процеси, які, як вважається, беруть участь у формуванні незвичайних магнітних полів.
Ми ще не знаємо про властивості hcp льоду. Ця форма тільки-но була виявлена. Дослідники запрошують подальші теоретичні дослідження, щоб розкрити ці властивості — особливо його механічну пластичність і електричну провідність.
Подальші експерименти також знадобляться, щоб точно визначити, де, при екстремальних тисках і температурах, hcp лід стабільний відносно його fcc аналога.
Вода дійсно дивна, а суперйонний лід ще дивніший. Вчені тільки-но почали досліджувати, що може зробити ця дивна молекула; в певному сенсі, це підходить, що ми залежимо від неї, щоб залишитися живими.
Залишайтеся холодними, вода. Або гарячою. Ви робите те, що вам потрібно.
Результати були опубліковані в Physical Review Letters.
Цікавий факт
Суперйонний лід може існувати глибоко всередині Урану та Нептуна, де його незвичайні властивості можуть впливати на формування магнітних полів цих планет.
