Учёные получили новую форму льда при температуре свыше 2000°C
Учёные экспериментально получили новую форму льда при экстремальных давлениях и температурах, которые могут существовать глубоко в недрах планет. В лаборатории воду сжимали до 230 гигапаскалей — примерно в 2,3 миллиона раз выше атмосферного давления на уровне моря — и нагревали до 2630 кельвинов, или около 2357 °C. Об этом сообщает Physical Review Letters.
Почему вода не превратилась в газ
При обычных условиях при такой температуре вода существовала бы в виде газа. Однако при давлении в миллионы атмосфер её расширение резко подавляется. В результате вещество остаётся чрезвычайно плотным и может переходить в необычные состояния, не встречающиеся на поверхности Земли.
Что такое суперионный лёд
Одно из таких состояний — суперионный лёд, который сочетает свойства твёрдого тела и жидкости. Атомы кислорода в нём остаются закреплёнными в кристаллической решётке, тогда как ядра водорода могут свободно перемещаться через эту структуру. Из-за этого вещество обладает необычными физическими и электрическими свойствами.
Как проводили эксперимент
Группа под руководством физика Алексиса Форестье из Комиссариата по атомной и альтернативным видам энергии Франции исследовала микроскопические образцы воды в условиях, близких к предполагаемым внутри ледяных гигантов Урана и Нептуна. Образцы зажимали между наконечниками алмазов, создавая давление до 230 гигапаскалей, а затем нагревали лазерами до нескольких тысяч градусов. Для сравнения: давление в центре Земли составляет около 360 гигапаскалей.
Изменения структуры вещества исследователи отслеживали с помощью узкого пучка синхротронного рентгеновского излучения. Это позволило определить расположение атомов кислорода внутри образца и проследить, как кристаллическая решётка меняется с ростом давления и температуры.
Что именно обнаружили
Учёные обнаружили структуру, которая ранее была предсказана теоретически, но не была однозначно зафиксирована в эксперименте. Она получила название гексагональной плотноупакованной структуры, или hcp. При нагревании её поведение указывало на переход в суперионное состояние примерно при 1700 кельвинах.
Ранее для суперионного льда была известна гранецентрированная кубическая структура, или fcc. В новой hcp-фазе слои атомов кислорода расположены в другой последовательности. Эксперимент показал, что при изменении условий одна структура может переходить в другую за счёт смещения слоёв.
При давлении 155 гигапаскалей и температуре 2000 кельвинов рентгеновские данные показывали смесь fcc- и hcp-структур. При 197 гигапаскалях и 2250 кельвинах сигнал hcp стал заметно сильнее. Когда давление увеличили до 219 гигапаскалей, а температуру — до 2630 кельвинов, признаки fcc почти исчезли, и доминирующей стала новая гексагональная структура.
Пересмотр старых данных
После получения этих результатов исследователи пересмотрели данные более раннего эксперимента. В них при давлениях выше 130 гигапаскалей присутствовал ранее неидентифицированный пик рентгеновской дифракции. Теперь учёные считают, что он, вероятно, также был связан с hcp-фазой льда, которую тогда не удалось распознать.
Значение для планетологии
Результаты указывают, что при давлениях выше примерно 200 гигапаскалей гексагональная плотноупакованная структура может становиться более устойчивой формой суперионного льда по сравнению с гранецентрированной кубической. Это различие на атомном уровне может оказаться важным для понимания внутреннего строения Урана и Нептуна. Считается, что суперионный лёд может существовать в глубоких слоях этих планет и участвовать в процессах, связанных с формированием их необычных магнитных полей.
Магнитные поля Урана и Нептуна значительно отличаются от земного: их оси сильно смещены и наклонены относительно центров планет. Если новая hcp-фаза проводит электрический ток иначе, чем уже известный fcc-суперионный лёд, это может изменить модели переноса электрического заряда и вещества в недрах ледяных гигантов.
Что предстоит выяснить
Физические свойства новой формы льда пока почти не изучены. Исследователи считают, что теперь необходимы дополнительные теоретические расчёты, которые позволят определить её электропроводность, механические свойства и пластичность. Потребуются и новые эксперименты, чтобы точнее установить диапазоны давления и температуры, при которых hcp-фаза остаётся стабильной и при каких условиях она переходит в fcc-структуру или другие состояния воды.
Справка
Открытие расширяет известную фазовую диаграмму воды и показывает, насколько необычно она может вести себя при давлениях и температурах, недоступных на поверхности Земли. Изучение таких экстремальных состояний помогает не только исследовать фундаментальные свойства воды, но и строить более точные модели недр планет Солнечной системы.