Ученые знали о существовании экзотических форм льда на протяжении десятилетий, но только недавно им удалось создать в лаборатории некоторые из их разновидностей. Подробное описание этого процесса было опубликовано в журнале Nature Physics.
Суперионный лед — структура молекул воды в виде решетки из атомов кислорода, окруженная пулом «обобществленных» на всю решетку атомов водорода, которые постоянно перемещаются. Технически это лед, но в то же время и жидкость, и твердое тело в одном.
Этот вид льда образуется не при низких температурах, а при экстремальном давлении, около ядра массивных планет, таких как Нептун.
Хотя модели и предсказывали условия, при которых должна появиться эта фаза воды, они были несколько неопределенными, в той части, где шла речь о точных температурах. В основе проблемы лежал вопрос о так называемой тройной точке — комбинации давления и температуры, при которой вещество находится на грани плавления, замерзания и сублимации.
Уточнить все это можно было только в эксперименте. Согласно расчетам, образец воды необходимо было поместить под давлением не менее 50 гигапаскалей, что в 5*105 раз больше давления на поверхности Земли на уровне моря, а затем нагреть с помощью мощного лазера. Поэтому, когда группа физиков из Advanced Photon Source (APS) Министерства энергетики США приступила к сжатию воды внутри алмазных тисков при относительно умеренных 20 гигапаскалях, они не ожидали многого.
«Это было неожиданностью — все думали, что эта фаза не появится, пока вы не окажетесь под гораздо более высоким давлением, чем то, где мы ее впервые обнаружили», — говорит геофизик Виталий Прокопенко из Чикагского университета. «Но мы смогли очень точно зафиксировать свойства этого льда, который представляет собой новую фазу материи».
Получив образец суперионного льда, команда использовала ускоритель APS для генерации пучка рентгеновских лучей при рассеянии которых была установлена структура льда. Это, в свою очередь, позволило им определить, когда вода претерпела фазовые переходы при изменении условий, и описать шаги, которые необходимо предпринять для превращения ее в суперионный лед.
Затем они смогли увеличить давление в алмазной наковальне и нагреть лед до 6500 К, что позволило им составить карту стабильности двух фазовых переходов льда при высоких температурах и давлении от 20 до 150 гигапаскалей.
На вид такой лед черный — видимый свет с трудом проходит сквозь него, поглощаемый свободно движущимися атомами водорода. Движение атомов водорода в пределах решетки кислорода также может влиять на окружающее электромагнитное поле и, возможно, даже играть роль в формировании собственной защитной магнитосферы планеты.
Спутник Юпитера Европа скрывает под ледяной поверхностью обширный океан. Это было установлено при помощи телескопа Хаббл, заметившего водяной пар на поверхности спутника Юпитера.
По материалам The Daily Mail и Science Alert
Читайте также:
Шекспировская драма в космосе: интересные факты об Уране
Ученые доказали, что на Нептуне идут дожди из алмазов
