21 марта научное сообщество обсуждало очередное удивительное открытие: в лабораторных условиях при сверхвысоком давлении физикам удалось зафиксировать и детально изучить четвертое, экзотическое агрегатное состояние воды — так называемый суперионный лед (или «лед XVIII»). В этой фазе привычная нам вода ведет себя невероятным образом: она становится абсолютно черной и приобретает способность проводить электрический ток подобно металлу.
Что такое суперионный лед?
Из базового курса физики мы знаем три состояния воды: твердое, жидкое и газообразное. Но при экстремальных температурах и давлениях правила меняются.
Суперионный лед — это парадоксальное состояние, в котором вода является одновременно твердой и жидкой. Под колоссальным давлением молекулы H2O распадаются. Атомы кислорода выстраиваются в жесткую кубическую кристаллическую решетку, характерную для твердых тел. При этом ядра водорода (протоны) отрываются от кислорода и начинают свободно перемещаться сквозь эту решетку, словно жидкость.
Именно этот непрерывный поток «жидких» протонов превращает воду в проводник. В отличие от обычных металлов (например, меди), где электричество переносят электроны, в суперионном льде ток передается за счет движения ионов водорода.
Почему вода становится черной?
Поведение водорода внутри этой уникальной структуры кардинально меняет оптические свойства вещества. Свет, попадая в суперионный лед, не проходит сквозь него, как через обычную воду или ледяной кубик. Из-за взаимодействия фотонов со свободно плавающими протонами и плотной кислородной решеткой вещество интенсивно поглощает свет. Визуально такой лед абсолютно непрозрачен и выглядит как черный матовый металл. Кроме того, этот лед невероятно горячий — он существует при температуре в несколько тысяч градусов.
Где это встречается в природе?
На Земле суперионного льда в естественных условиях не существует, однако во Вселенной это, возможно, самая распространенная форма воды.
Астрофизики убеждены, что толстые слои мантии так называемых ледяных гигантов — Урана и Нептуна — состоят именно из черного суперионного льда. Бурные потоки ионов водорода в глубине этих планет генерируют их странные, мощные и смещенные относительно оси магнитные поля.
Как это получили в лаборатории?
Чтобы воссоздать условия недр планет-гигантов, ученым потребовались передовые технологии:
- Крошечную каплю воды зажали между двумя алмазами (в алмазной наковальне), создав начальное огромное давление.
- Затем по алмазам ударили синхронизированной серией самых мощных в мире лазеров.
- Ударные волны сжали воду до давления в миллионы атмосфер, а температура подскочила почти до температуры поверхности Солнца.
В эти миллиардные доли секунды (наносекунды) вода перешла в суперионную фазу. Чтобы доказать это, физики просветили образец сверхкороткими рентгеновскими вспышками, которые зафиксировали тень кислородной решетки до того, как образец испарился.
Фотографии «металлической» воды
Сделать классическое макро-фото кубика такого льда, лежащего на столе, невозможно физически (звучит как шутка про животное Австралии Сумчатую Гадину: сумчатая потому что все животный Австралии сумчатые, а гадина, т.к. настолько хитрая и быстрая, что ее никто ни разу не видел ). Черный лед формируется только внутри камеры из алмазов шириной в доли миллиметра и существует наносекунды. Если убрать давление, он мгновенно и с колоссальной силой взорвется, перейдя в пар. Поэтому фото ниже - генерации ИИ с просторов интернета.
