Учёные получили новую форму льда при температуре выше 2000 градусов
Учёные экспериментально получили новую форму льда при экстремальных давлениях и температурах, которые могут существовать глубоко в недрах планет. В лаборатории воду сжимали до 230 гигапаскалей, что примерно в 2,3 миллиона раз превышает атмосферное давление на уровне моря, и нагревали до 2630 кельвинов, или около 2357 °C.
При обычных условиях при такой температуре вода существовала бы в виде газа, однако при давлении в миллионы атмосфер её расширение резко подавляется. В результате вещество остаётся чрезвычайно плотным и может переходить в необычные состояния, не встречающиеся на поверхности Земли.
Одно из таких состояний — суперионный лёд, который сочетает свойства твёрдого тела и жидкости. Атомы кислорода в нём остаются закреплёнными в кристаллической решётке, тогда как ядра водорода могут свободно перемещаться через эту структуру. Из-за этого вещество обладает необычными физическими и электрическими свойствами.
В новом эксперименте группа под руководством физика Алексиса Форестье из Комиссариата по атомной и альтернативным видам энергии Франции исследовала микроскопические образцы воды в условиях, близких к предполагаемым условиям внутри ледяных гигантов Урана и Нептуна.
Образцы зажимали между наконечниками алмазов, создавая давление до 230 гигапаскалей, а затем нагревали лазерами до нескольких тысяч градусов. Для сравнения, давление в центре Земли составляет около 360 гигапаскалей.
Изменения структуры вещества исследователи отслеживали с помощью узкого пучка синхротронного рентгеновского излучения. Это позволило определить расположение атомов кислорода внутри образца и проследить, как кристаллическая решётка меняется с ростом давления и температуры.
Учёные обнаружили структуру, которая ранее была предсказана теоретически, но не была однозначно зафиксирована в эксперименте. Она получила название гексагональной плотноупакованной структуры, или hcp. При нагревании её поведение указывало на переход в суперионное состояние примерно при 1700 кельвинах.
Название hcp связано со способом укладки атомов кислорода. Их можно представить как одинаковые сферы, расположенные максимально плотно слоями. В зависимости от последовательности укладки этих слоёв образуются разные типы кристаллической структуры.
Ранее для суперионного льда была известна гранецентрированная кубическая структура, или fcc. В новой hcp-фазе слои атомов кислорода расположены в другой последовательности. Эксперимент показал, что при изменении условий одна структура может переходить в другую за счёт смещения слоёв.
При давлении 155 гигапаскалей и температуре 2000 кельвинов рентгеновские данные показывали смесь fcc- и hcp-структур. При 197 гигапаскалях и 2250 кельвинах сигнал hcp стал заметно сильнее. Когда давление увеличили до 219 гигапаскалей, а температуру — до 2630 кельвинов, признаки fcc почти исчезли и доминирующей стала новая гексагональная структура.
После получения этих результатов исследователи пересмотрели данные более раннего эксперимента. В них при давлениях выше 130 гигапаскалей присутствовал ранее неидентифицированный пик рентгеновской дифракции. Теперь учёные считают, что он, вероятно, также был связан с hcp-фазой льда, которую тогда не удалось распознать.
Результаты указывают, что при давлениях выше примерно 200 гигапаскалей гексагональная плотноупакованная структура может становиться более устойчивой формой суперионного льда по сравнению с гранецентрированной кубической.
Это различие на атомном уровне может оказаться важным для понимания внутреннего строения Урана и Нептуна. Считается, что суперионный лёд может существовать в глубоких слоях этих планет и участвовать в процессах, связанных с формированием их необычных магнитных полей.
Магнитные поля Урана и Нептуна значительно отличаются от земного: их оси сильно смещены и наклонены относительно центров планет. Если новая hcp-фаза проводит электрический ток иначе, чем уже известный fcc-суперионный лёд, это может изменить модели переноса электрического заряда и вещества в недрах ледяных гигантов.
Физические свойства новой формы льда пока почти не изучены. Исследователи считают, что теперь необходимы дополнительные теоретические расчёты, которые позволят определить её электропроводность, механические свойства и пластичность.
Потребуются и новые эксперименты, чтобы точнее установить диапазоны давления и температуры, при которых hcp-фаза остаётся стабильной и при каких условиях она переходит в fcc-структуру или другие состояния воды.
Открытие расширяет известную фазовую диаграмму воды и показывает, насколько необычно она может вести себя при давлениях и температурах, недоступных на поверхности Земли. Изучение таких экстремальных состояний помогает не только исследовать фундаментальные свойства воды, но и строить более точные модели недр планет Солнечной системы.
Исследование в журнале Physical Review Letters.