Ученые создали новую форму льда при температуре более 2000 °C

Фото из открытых источников

Вода — одно из самых распространенных и необходимых веществ в мире, где живет человечество. Мы буквально не можем функционировать без ее свойств как почти универсального растворителя. Она падает с неба. Мы купаемся в ней, пьем ее и погружаемся в нее ради удовольствия.

Но если рассматривать воду просто как жидкость, она ведет себя крайне странно, совершенно не так, как другие жидкости. При замерзании она становится менее плотной. Ее поверхностное натяжение поразительно высокое. То же самое относится и к температуре кипения. И, судя по ее молекулярной массе, при комнатной температуре она должна быть газом.

И всё это при нормальных, обычных земных условиях.

Достаточно немного изменить давление и температуру, и невероятные выходки воды выйдут из-под контроля еще сильнее.

Ученые продемонстрировали одну из самых необычных форм льда — при невероятном давлении до 2,3 миллионов атмосфер и колоссальных температурах до 2357 градусов Цельсия. При таких температурах обычно ожидается, что вода будет находиться в газообразном состоянии – даже частично расщепленная на составляющие ее атомы кислорода и водорода. Но кое-что интересное происходит при астрономических давлениях, наблюдаемых глубоко внутри планет.

При переходе воды из жидкого состояния в газообразное, или парообразное, она расширяется. Под действием огромного давления в миллионы атмосфер это расширение прекращается. Вместо этого вода может оставаться чрезвычайно плотной, принимая экзотические формы, непохожие ни на один лед, который мы встречаем на поверхности Земли. 

Одним из таких состояний является суперионный лед – крайне необычное состояние вещества, которое не является ни полностью твердым, ни полностью жидким. Атомы кислорода в нем остаются неподвижными в жесткой кристаллической решетке, как и в твердом теле. Но ядра водорода подвижны, диффундируя через эту решетку скорее подобно частицам в жидкости.

При немного отличающихся условиях расположение атомов кислорода переходит в различные конфигурации, известные как фазы. Известно около двадцати с лишним фаз водяного льда, некоторые из которых становятся суперионными в экстремальных условиях. Ученые постоянно ищут новые.

И дело не просто в странностях ради странностей. Считается, что суперионный лед существует глубоко внутри Урана и Нептуна, где его необычные свойства могут играть роль в генерации столь же необычных магнитных полей этих планет.

В своих новых экспериментах группа под руководством физика Алексиса Форестье из Французской комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии подвергла крошечные образцы воды экстремальным условиям, характерным для недр ледяных гигантских планет. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Ученые сжимали образцы между кончиками алмазов под давлением до 230 гигапаскалей, одновременно используя лазеры для нагревания их до тысяч градусов. Это в 2,3 миллиона раз превышает атмосферное давление Земли на уровне моря — для сравнения, давление в центре Земли составляет около 360 гигапаскалей.

Затем, используя чрезвычайно узкий пучок синхротронных рентгеновских лучей, они исследовали изменения в кристаллической структуре льда.

В результате была получена конфигурация, предсказанная теоретически, но никогда однозначно не наблюдавшаяся в экспериментах: гексагональная плотноупакованная (ГПУ) структура льда. При нагревании ГПУ-кристалла его расширение также демонстрировало признаки суперионного поведения, что позволяет предположить, что он перешел в суперионное состояние примерно при 1700 кельвинах.

Название относится к расположению атомов кислорода. Представьте, что вы укладываете одинаковые шарики слоями; существует множество различных способов укладки этих слоев, позволяющих максимально плотно упаковать шарики.

Одна из ранее идентифицированных форм суперионного льда имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру. В недавно идентифицированном гексагональном плотноупакованном (ГПУ) льду слои расположены в другой последовательности. Исследователи обнаружили доказательства того, что одна форма может трансформироваться в другую при изменении положения слоев.

По всей видимости, эта трансформация происходит по мере того, как условия становятся всё более экстремальными.

При 155 гигапаскалях и 2000 кельвинах сигнал, наблюдаемый от рентгеновского зонда, представлял собой смесь ГЦК и ГПУ структур.

При увеличении температуры до 197 гигапаскалей и 2250 кельвинов, ГЦК-структура стала более выраженной по сравнению с ГЦК-структурой.

При окончательных условиях — 219 гигапаскалей и 2630 кельвинов — характерные признаки ГЦК-матрицы практически исчезли, и ГЦК-матрица явно стала доминирующей.

Примечательно, что это, возможно, был не первый случай, когда исследователям удалось получить лед с гексагональной плотноупакованной структурой (hcp).

Проанализировав данные более раннего эксперимента, они поняли, что ранее неидентифицированный пик рентгеновской дифракции, наблюдаемый выше 130 гигапаскалей, вероятно, является признаком гексагональной плотноупакованной структуры льда — просто тогда они его не распознали.

Полученные результаты позволяют предположить, что при давлении выше примерно 200 гигапаскалей гексагональная плотноупакованная структура может стать более стабильной структурой суперионного льда.

Кажется, это относительно небольшое изменение — в буквальном смысле на атомном уровне — но эта разница может иметь огромное значение для Солнечной системы.

Если гексагональная плотноупакованная структура льда проводит электричество иначе, чем гранецентрированная кубическая структура льда, то её присутствие в глубинах Урана и Нептуна может изменить модели движения вещества и электрического заряда в их недрах — процессов, которые, как считается, участвуют в генерации странных, запутанных и асимметричных магнитных полей этих планет.

Однако о свойствах гексагональной плотноупакованной структуры льда нам пока ничего не известно. Это вещество было открыто совсем недавно. Исследователи призывают к дальнейшим теоретическим исследованиям для уточнения этих свойств, особенно его механической пластичности и электропроводности.

Для точного определения того, в каких крайних значениях давления и температуры гексагональная плотноупакованная структура льда стабильна по сравнению с кубической гранецентрированной структурой, потребуются дополнительные эксперименты.

Вода — это действительно странная молекула, а суперионный лед — еще более странный. Ученые только начали изучать возможности этой необычной молекулы; в каком-то смысле, это вполне закономерно, что нам приходится полагаться на нее для выживания.