Nature: выявлен странный лед, который может образовываться на других планетах

Фото из открытых источников

Вода является третьей по распространенности молекулой во Вселенной и ключевым компонентом в недрах ледяных лун, планет-гигантов и экзопланет, подобных Урану и Нептуну. Благодаря своей особой молекулярной структуре и гибким водородным связям, которые легко адаптируются к широкому диапазону давлений и температур, вода образует многочисленные кристаллические и аморфные фазы. Наиболее важным для высоких давлений и температур планетарных недр является лед VII, и моделирование выявило вдоль его кривой плавления существование так называемой пластичной фазы, где отдельные молекулы занимают фиксированные положения, как в твердом теле, но способны вращаться, как в жидкости. До сих пор такой пластичный лед не наблюдался напрямую в экспериментах.

Теперь же ученые заявили о первом экспериментально наблюдении льда VII. По мнению ученых, эта экзотическая фаза воды может образовываться в океанах на чужих планетах. Новое исследование было опубликовано в журнале Nature.

Для образования льда VII нужны невероятно высокие температуры и давления. По мере повышения температуры и давления молекулы воды вынуждены принимать различные конфигурации и динамики.

Международная группа исследователей создала лед VII, сжимая воду до давления 6 гигапаскалей и нагревая ее до температур 327 °C, используя для этого высококлассные приборы в Институте Лауэ-Ланжевена (ILL) во Франции, чтобы внимательно следить за изменением его фазы.

Лед VII имеет отчетливо переплетенную кубическую структуру, в которой водороды немного беспорядочны. Однако, что происходит с этой структурой, когда ей позволяют «растаять», никогда не было ясно, и некоторые предполагают, что молекулы остаются на месте, в то время как их водороды бродят вокруг.

Тонкая природа предполагаемой фазы воды требует тщательных измерений движений ее водорода, а не моментального снимка ее формы, поэтому неудивительно, что ученые не могли доказать ее существование. До сих пор.

Одним из методов, использовавшихся для идентификации льда VII, было квазиупругое рассеяние нейтронов (QENS), при котором с помощью нейтронов можно отслеживать движения мельчайших частиц внутри веществ.

«Возможность QENS исследовать как поступательную, так и вращательную динамику является уникальным преимуществом для исследования столь экзотических фазовых переходов по сравнению с другими спектроскопическими методами», — говорит физик Мария Ресциньо из Римского университета Ла Сапиенца в Италии.

Как и было предсказано около 17 лет назад, исследовательская группа смогла увидеть вращение атомов водорода на микроскопическом уровне, когда лед VII — одна из десятков известных нам фаз льда — нагревается и подвергается большему давлению.

Однако был один сюрприз: молекулы внутри льда VII не вращались свободно, а поворачивались ступенчатыми шагами. Вероятно, это связано с тем, как водородные связи между молекулами разрушаются и восстанавливаются, говорят исследователи.

«Измерения QENS показали, что механизм молекулярного вращения для льда VII отличается от первоначально ожидаемого поведения свободного ротора», — объясняет Ресиньо.

Ледяные миры далеко во Вселенной, такие как Нептун или спутник Юпитера Европа, могли в прошлом содержать пластиковый лед VII, считают эксперты. Возможность наблюдать за поведением льда в лабораторных условиях также дает нам лучшее понимание того, что происходило в прошлом с этими планетами и их спутниками.

Это одна из потенциальных областей для будущих исследований. Другая — более подробно рассмотреть, как происходит переход к льду VII, который может быть непрерывным и постепенным или более резким, на основе моделирования.

«Сценарий непрерывного перехода очень интригует», — говорит физик Ливия Бове из Римского университета Ла Сапиенца. «Это намекает на то, что пластичная фаза может быть предшественником неуловимой суперионной фазы — еще одной гибридной экзотической фазы воды, предсказанной при еще более высоких температурах и давлениях, где водород может свободно диффундировать через кристаллическую структуру кислорода».