Вода может принимать гораздо больше форм, чем многие люди считают, и теперь ученые воссоздали в лаборатории особенно причудливую форму - «горячий черный лед», который может существовать глубоко внутри таких планет, как Уран и Нептун.
Эта фаза воды известна как суперионный лед, и она образуется при чрезвычайно высоких температурах и давлениях, в результате чего молекулы воды разделяются на составляющие их ионы водорода и кислорода. Затем ионы кислорода образуют равномерно распределённую решетку кубической формы, в то время как ионы водорода свободно перемещаются внутри кислородной решётки. Свободно движущиеся ионы водорода делают суперионную воду почти такой же проводящей, как и обычные металлы, что делает её суперионным проводником. Это одна из 19 известных кристаллических фаз льда. В целом это придает суперионному льду относительно высокую проводимость, низкую плотность и более темный цвет.
На самом деле изучение материала было непростым делом. Эта фаза теоретизировалась на протяжении десятилетий, и экспериментальные доказательства начали появляться в 1990-х годах, но только в 2019 году ученым удалось произвести суперионный лед в лаборатории. Однако в том эксперименте это длилось всего доли секунды.
Теперь ученым из Аргоннской национальной лаборатории удалось создать стабильный суперионный лед, который держится достаточно долго, чтобы изучить его более подробно. Сначала, прикладывается давление путем сжатия образца воды в ячейке с алмазной наковальней, затем воду нагревают с помощью лазеров. Наконец, команда использует установку с высокоэнергетическим источником рентгеновского излучения под названием Advanced Photon Source (APS) для отображения расположения атомов в образце, чтобы выяснить, в какой фазе находится вода.
И действительно, исследования показали, что эксперимент производил суперионный лед. Он начал появляться при температурах от 627°C до 1627°C и давлении 20 гигапаскалей. Интересно, что это гораздо более низкое давление, чем предсказывали модели для этой фазы.
«Это было неожиданностью - все думали, что эта фаза не появится, пока вы не окажете гораздо более высокое давление, чем то, на котором мы его впервые обнаружили», - говорит Виталий Пракапенка (Vitali Prakapenka), соавтор исследования. «Но мы смогли очень точно отобразить свойства этого нового льда, который представляет собой новую фазу вещества, благодаря нескольким мощным инструментам».
Производство суперионного льда в лаборатории - это больше, чем просто любопытство - его изучение может помочь нам понять, как формируются планеты, и даже сообщить, где нам искать инопланетную жизнь. Считается, что такой лед можно найти на ледяных планетах-гигантах, таких как Уран и Нептун, и что слякотные мантии из суперионного льда могут генерировать магнитные поля этих миров.
Команда говорит, что еще предстоит проделать гораздо больше работы, чтобы изучить, что заставляет суперионный лед обладать своими необычными свойствами. Такие свойства, как его проводимость, вязкость и стабильность, остаются неясными, и все может резко измениться, если его смешать с солями или другими минералами.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.
Источник: Argonne National Laboratory, Nature
