В Лаборатории лазерной энергетики в Брайтоне, Нью-Йорк, произошло удивительное событие. Мощный лазер ударил в каплю воды, вызвав ударную волну, которая увеличила давление в воде до миллионов атмосфер и температуру до тысяч градусов. Затем рентгеновские лучи проникли через эту каплю, предоставив человечеству первый взгляд на воду в таких экстремальных условиях. Оказалось, что вода внутри ударной волны не превратилась в перегретую жидкость или газ, а замерзла в кристаллический лед, что стало удивительным открытием для физиков, наблюдавших за экспериментом.
В ходе эксперимента, проведенного Мариусом Милло и Федерикой Коппари из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, был зафиксирован выстрел, сопровождавшийся удивительным явлением. Исследование, опубликованное в Nature на этой неделе, раскрывает тайны поведения воды при высоком давлении и температуре. По результатам работы было подтверждено существование новой фазы воды под названием «суперионный лед», обладающей уникальными свойствами. В отличие от обычного льда, суперионный лед имеет черный цвет и нагревается до высоких температур. Кубик этого льда весит в четыре раза больше стандартного. Существование суперионного льда было предсказано более 30 лет назад, и, хотя его никогда официально не наблюдали, ученые уверены, что он может быть одной из самых распространенных форм воды во Вселенной.
В чреве Урана и Нептуна находится большая часть воды в виде суперионного льда, что превышает количество жидкой воды в океанах Земли, Европы и Энцелада в Солнечной системе. Открытие суперионного льда может разгадать старые загадки об устройстве этих «гигантов-ледников».
Научные исследования выявили восемнадцать удивительных структур ледяных кристаллов, включая гексагональное расположение молекул воды в обычном льду (Ih). После льда-I, который существует в двух формах, Ih и Ic, остальные формы пронумерованы от II до XVII в порядке их обнаружения. Несмотря на то, что «лед-9» реально существует, его свойства отличаются от описанных в романе Курта Воннегута «Колыбель для кошки».
Существует новый тип льда, который называется суперионным льдом и может иметь мантию льда-XVIII. Однако у него есть одно особенное свойство, отличающее его от всех ранее известных видов водяных льдов. Согласно новым измерениям, суперионный лед существует в некоем сюрреалистическом состоянии, которое можно описать как наполовину твердое и наполовину жидкое. В этом состоянии отдельные молекулы воды распадаются, при этом атомы кислорода образуют кубическую решетку, но атомы водорода свободно перемещаются, как жидкость, через жесткую структуру кислорода.
Сверхбыстрые измерения и точный контроль температуры и давления требовались для обнаружения суперионного льда, оправдывающего компьютерные прогнозы. Это позволит физикам-материаловедам создавать будущие вещества с индивидуальными свойствами. Кристоф Зальцманн из Лондонского университетского колледжа, открывший льды-XIII, -XIV и XV, говорит, что все это невозможно было сделать, скажем, пять лет назад. Это, безусловно, окажет огромное влияние.
Суперионный лед был долгожданным открытием для физиков, которые начали его исследование еще в 1988 году. По словам Ливии Бове, это не просто новая фаза воды, а новое состояние вещества, которое вызывает впечатление своей удивительной природы. Моделирование показало, что молекулы воды разрушаются под воздействием сильного давления и тепла, что приводит к формированию этого странного, почти металлического вида льда.
В кристаллической решетке водорода происходит быстрое перемещение атомов, которые ионизируются, превращаясь в положительно заряженные протоны. Это вызывает возникновение предположения, что суперионный лед может проводить электричество как металл, а водород будет играть роль электронов. Появление свободных атомов водорода также приведет к увеличению беспорядка в льду и увеличению его энтропии. Это, в свою очередь, сделает лед стабильнее и повысит его температуру плавления по сравнению с другими видами ледяных кристаллов.
Это непросто представить, но верить в это — еще сложнее. Сначала использовали упрощенную физику для создания моделей, которые проникали сквозь квантовую природу реальных молекул. Поздние симуляции внесли больше квантовых эффектов, но обошли фактические уравнения, необходимые для описания взаимодействия нескольких квантовых тел, что слишком сложно рассчитать. Вместо этого они полагались на приближения, что увеличивало вероятность того, что вся эта сцена окажется иллюзией в симуляции. Вместе с тем, эксперименты не могли создать необходимое давление и обеспечить достаточное тепло, чтобы расплавить это прочное вещество.
Внешние планеты Солнечной системы имеют странные магнитные поля, которые похожи на стержневые магниты, выровненные вдоль их осей вращения. Этот феномен связан с внутренними областями, где проводящие жидкости создают огромные магнитные поля в результате своего вращения вместе с планетой. Планетологи высказали подозрения, что вода на этих планетах может находиться в суперионной фазе льда. Интересно, что это открытие произошло примерно в то время, когда зонд "Вояджер-2" отправился во внешнюю солнечную систему и обнаружил что-то странное в магнитных полях Урана и Нептуна.
Магнитные поля Урана и Нептуна менее стандартны, чем поля других планет, они имеют более сложную структуру с множеством полюсов. Также они не выравниваются по направлению вращения своих планет. Один из методов, чтобы достичь этого, заключается в том, чтобы ограничить проводящую жидкость, ответственную за динамо, тонкой внешней оболочкой планеты, вместо того, чтобы позволить ей проникнуть внутрь ядра. Однако идея о том, что эти планеты могут иметь твердые ядра, не способные генерировать динамо, кажется нереалистичной.
Команда Коппари и Милло собрала кусочки головоломки вместе и провела взрывной эксперимент с ледяными гигантами. Они ожидали, что при пробуривании столкнутся со слоем ионной воды, которая будет проводить токи и участвовать в динамо. Планетологи даже шутили, что недра Урана и Нептуна не могут быть твердыми, но оказалось, что это наивно. Даже более глубокий материал, даже при более высоких температурах, также может быть жидкостью, но есть косвенные доказательства существования суперионного льда, опубликованные в более раннем эксперименте в феврале 2018 года.
В процессе эксперимента, команда ученых смогла создать тетрагональный кристалл льда-VI, используя высокое давление, эквивалентное давлению на дне Марианской впадины. Затем они перешли к форме льда-VII, более плотной и прозрачной, которая обнаружена внутри природных алмазов. Для этого использовался лазер OMEGA в Лаборатории лазерной энергетики, чтобы изучить свойства льда-VII, который до сих пор оставался зажатым между алмазными наковальнями.
Испарение материала алмаза в противоположном направлении при ударе лазера вызвало образование ударной волны, пронизывающей лед. После проведения исследования, команда Милло установила, что сверхсдавленный лед плавится при температуре около 4700 градусов по Цельсию, что соответствует ожиданиям для суперионного льда. Кроме того, было обнаружено, что он обладает проводящими свойствами благодаря передвижению заряженных протонов.
Подтверждение структуры суперионного льда требовало проведения нового исследования Коппари и Милло после подтверждения предсказаний относительно его объемных свойств. Для подтверждения кристаллической природы требовалось использование дифракции рентгеновских лучей.
Вместо пропуска льда-VI и льда-VII в эксперименте, ученые решили разбить воду между алмазными наковальнями лазерными выстрелами. Сначала они добавили 16 лазерных лучей, чтобы испарить тонкий кусок железа рядом с образцом. Затем ударные волны проникли сквозь и вода начала кристаллизоваться в нанометровые кубики льда. Получившаяся плазма залила кристаллизующуюся воду рентгеновскими лучами, которые затем дифрагировали от кристаллов льда и позволили команде различить их структуру.
Кубическая решетка льда-XVIII с атомами кислорода на углах и в центре граней была обнаружена в воде, что вызвало восторг у ученых. Это означает, что моделирование и реальное наблюдение за суперионным льдом подтверждают друг друга, что может привести к достижению цели исследований в области физики материалов.
Ученый Раймонд Джанлоз из Калифорнийского университета в Беркли говорит, что после того как вы определите нужные свойства материала, можно использовать компьютерное моделирование для определения подходящего материала и его кристаллической структуры.
Исследование также указывает на то, что суперионный лед, хотя и проводит некоторое количество электричества, все же является твердым веществом, которое может растекаться, но не течь. Поэтому жидкие слои внутри планет Урана и Нептуна могут остановиться на глубине около 8000 километров, где начинается мантия зыбкого суперионного льда. Это ограничивает большую часть динамических процессов на более неглубоких уровнях, учитывая особенности магнитных полей планет.
В галактике, возможно, существует множество экзопланет, на которых обитает суперионный лед, несмотря на то, что другие планеты и луны Солнечной системы, вероятно, не обладают необходимыми внутренними температурами и давлениями для его существования. Воду на этих планетах, конечно, смешивает метан и аммиак, что может влиять на проявление суперионного поведения. Ученые утверждают, что существование суперионного аммиака также возможно, и степень его распространения в природе зависит от множества факторов