Учени наблюдаваха нова форма на лед при екстремно налягане и температура

Водата е едно от най-разпространените и жизненоважни вещества на Земята, но от физична гледна точка притежава редица необичайни свойства. Сега учени демонстрираха още по-екзотично нейно състояние – форма на лед, която се образува при налягания милиони пъти по-високи от атмосферното и температури от хиляди градуси.

Екип, ръководен от физика Алексис Форестие, наблюдава експериментално хексагонално плътно пакетирана, или hcp, фаза на водния лед при условия, подобни на тези, които могат да съществуват във вътрешността на ледените гиганти Уран и Нептун.

Резултатите са приети за публикуване в научното списание Physical Review Letters. Откритието е важно, защото съществуването на подобна структура е предсказвано теоретично, но досега не беше убедително потвърдено експериментално.

В ежедневни условия идеята за лед при температура от няколко хиляди градуса изглежда парадоксална. При нормално атмосферно налягане водата отдавна би се превърнала в пара. При налягания от милиони атмосфери обаче поведението ѝ се променя радикално.

В експериментите учените поставят микроскопични проби вода между върховете на диаманти и ги подлагат на налягане до около 230 гигапаскала – приблизително 2,3 милиона пъти атмосферното налягане на морското равнище. За сравнение, налягането в центъра на Земята се оценява на около 360 гигапаскала.

Пробите са нагрявани с лазери до температури от хиляди градуси. За да установят как се променя атомната структура на водата, изследователите използват силно фокусиран сноп синхротронни рентгенови лъчи. Именно така те откриват хексагонално плътно пакетираната структура на кислородните атоми.

При налягане над приблизително 200 гигапаскала и температура над около 1800 келвина тази hcp фаза става доминираща при преминаването към свръхйонния режим.

Свръхйонният лед е едно от най-необичайните състояния на водата. В него кислородните атоми остават подредени в твърда кристална решетка, както при обикновения лед, но водородните ядра могат да се движат през структурата много по-свободно, подобно на частици в течност.

Така веществото съчетава характеристики на твърдо и течно състояние. Движението на водородните ядра придава на свръхйонната вода и значителна електрическа проводимост – свойство, което е особено важно за разбирането на вътрешността на някои планети.

Откритието се отнася преди всичко до начина, по който кислородните атоми са подредени в свръхйонния лед. При вече наблюдавана форма те могат да образуват лицевоцентрирана кубична структура – fcc. В новооткритата hcp фаза атомите също са изключително плътно пакетирани, но отделните слоеве са подредени в различна последователност.

Експериментите показват и връзка между двете структури. При определени налягания и температури fcc и hcp фазите могат да съществуват едновременно, а при промяна на условията едната структура може да премине в другата чрез преместване на атомните слоеве.

Наблюденията показват, че при налягания между приблизително 130 и 200 гигапаскала може да протича преход между fcc и hcp структурата, докато над 200 гигапаскала hcp фазата става по-стабилна при високите температури.

Откритието има значение далеч отвъд лабораторията. Условията, при които се образува свръхйонен лед, се смятат за възможни дълбоко във вътрешността на Уран и Нептун.

Двете планети са известни с необичайните си магнитни полета, които се различават значително от сравнително подреденото диполно магнитно поле на Земята. Една от научните хипотези е, че електропроводими слоеве от свръхйонна вода участват в процесите, които генерират сложните магнитни полета на Уран и Нептун.

Новата hcp структура може да се окаже важна част от този пъзел. Начинът, по който водородните ядра се движат през различните кристални решетки, влияе върху електрическата проводимост и други свойства на веществото.

Затова установяването на точните структури на водата при огромни налягания и температури може да позволи изграждането на по-точни модели на вътрешността на Уран и Нептун.

Откритието показва и колко необичайно вещество всъщност е водата. При условията на земната повърхност тя изглежда напълно позната, но при налягания от милиони атмосфери и температури от хиляди градуси може да образува състояния на материята, които нямат аналог в ежедневния ни свят.