Research

Вода незвичайної форми може бути найпоширенішою у Всесвіті

Нещодавно в Лабораторії лазерної енергетики вБрайтоні, штат Нью-Йорк, один з найбільш потужних лазерів в світі вдарив в краплю води, створивши ударну хвилю, яка підняла тиск в цій воді до мільйонів атмосфер, а температуру - до тисяч градусів. Рентгенівські промені, які пройшли через цю краплю в ту ж частку секунди, явили людству перший проблиск води в таких екстремальних умовах. Вони показали, що вода всередині ударної хвилі не стала перегрітої рідиною або газом. Ні, вода замерзла.

Як це не парадоксально, атоми води замерзли, утворивши кристалічний лід. Втім, як і припускали фізики, мружачи на екрани в сусідній кімнаті.

«Ви чуєте постріл і в той же момент бачите, щовідбулося щось цікаве », говорить Маріус Мілло з Ліверморської національної лабораторії ім. Лоуренса, який проводив експеримент разом з Федеріко Коппаро.

Що відбувається з водою при високому тиску і температурі?

Результати цієї роботи, опублікованої на ційтижні в Nature, підтверджують існування «суперіонного льоду», нової фази води з химерними властивостями. На відміну від знайомого вам льоду, який можна знайти в морозилці або на північному полюсі, суперіонного лід чорний і гарячий. Кубик такого льоду важив в чотири рази більше звичайного. Вперше його існування було передбачене більше 30 років тому, і хоча його досі ніколи не бачили, вчені вважають, що він може бути одним з найбільш поширених видів води у Всесвіті.

Навіть в Сонячній системі велика частина води,ймовірно, знаходиться в формі суперіонного льоду - в надрах Урана і Нептуна. Її більше, ніж рідкої води в океанах Землі, Європи і Енцелада. Відкриття суперіонного льоду могло б вирішити старі загадки про склад цих «крижаних гігантів».

Вчені вже виявили вісімнадцять дивовижнихархітектур крижаного кристала, включаючи гексагональних розташування молекул води в звичайному льоду (Ih). Після льоду-I, який буває двох форм, Ih і Ic, інші форми пронумеровані від II до XVII по порядку відкриття. Так, «лід-9» насправді існує, але його властивості зовсім не такі, як в романі Курта Воннегута «Колиска для кішки».

Суперіонного лід може претендувати на мантіюльоду-XVIII. Це новий кристал, але є в ньому одне але. Всі раніше відомі водяні льоди складаються з непошкоджених молекул води, в яких один атом кисню пов'язаний з двома атомами водню. Але суперіонного лід, як показують нові виміри, не такий. Він існує в якомусь сюрреалістичному лімбі, наполовину твердому, наполовину рідкому. Окремі молекули води розпадаються. Атоми кисню формують кубічну решітку, але атоми водню розливаються вільно, протікаючи, як рідина, через жорстку клітку кисню.

Фахівці кажуть, що виявлення суперіонногольоду виправдовує комп'ютерні прогнози, які можуть допомогти фізикам-матеріалознавцям створювати майбутні речовини з індивідуальними властивостями. А не вдасться знайти льоду вимагало надшвидких вимірювань і точного контролю температури і тиску, що стало можливим лише в умовах удосконалення експериментальних методів.

«Все це було неможливо зробити, скажімо, п'ятьроків тому », говорить Крістоф Зальцманн з Лондонського університетського коледжу, який відкрив льоди-XIII, -XIV і XV. «Це безумовно матиме неабиякий вплив».

Фізик Лівія Бове з Національного центру науковихдосліджень Франції вважає, що оскільки молекули води розпадаються, це не зовсім нова фаза води. «Це новий стан речовини, що досить вражаюче».

Пазли на льоду

Фізики полювали за суперіонного льодом багато років -з тих пір, як примітивна комп'ютерна симуляція Пьерфранко Демонтіса в 1988 році передбачила, що вода прийме цю дивну, майже металеву форму, якщо виштовхнути її за межі карти відомих крижаних фаз.

Моделювання показало, що під сильним тискомі теплом молекули води руйнуються. Атоми кисню полягають в кубічну решітку, а «водень починає стрибати з одного положення в кристалі в інше, знову і знову», говорить Мілло. Ці стрибки між вузлами решітки настільки швидкі, що атоми водню - які іонізуються, перетворюючись, по суті, в позитивно заряджені протони - поводяться як рідина.

З'явилося припущення, що суперіонного лідбуде проводити електрику, як метал, і водень буде виконувати роль електронів. Наявність цих вільних атомів водню також посилить безладність льоду, його ентропію. У свою чергу, збільшення ентропії Крига стабільніше, ніж інші види крижаних кристалів, в результаті чого його температура плавлення виросте.

Уявити це все легко, повірити в це -важко. Перші моделі використовували спрощену фізику, продираючись крізь квантову природу реальних молекул. Пізніші симуляції додали більше квантових ефектів, але все ж обійшли фактичні рівняння, необхідні для опису взаємодії декількох квантових тел, яке занадто важко розрахувати. Замість цього вони покладалися на наближення, що підвищувало ймовірність того, що весь цей сценарій виявиться міражем в симуляції. Експерименти, між тим, не могли створити необхідний тиск і зробити досить тепла, щоб розплавити це міцне речовина.

І коли все вже закинули цю затію, планетологивисловили власні підозри, що у води може бути суперіонного фаза льоду. Приблизно в той же час, коли ця фаза була вперше передбачена, зонд "Вояджер-2» відправився в зовнішнє сонячну систему і виявив щось дивне в магнітних полях крижаних гігантів Урана і Нептуна.

Поля навколо інших планет Сонячної системи,мабуть, складаються з суворо визначених північного і південного полюса, без особливої ​​іншої структури. Схоже на те, ніби в них знаходяться стрижневі магніти, вирівняні по осях обертання. Палеонтологи пов'язують це з «динамо»: внутрішніми областями, де проводять рідини піднімаються і обертаються в міру обертання планети, створюючи величезні магнітні поля.

Навпаки, магнітні поля, які виходять від Урана іНептуна, виглядали більш громіздкими і складними, з більш ніж двома полюсами. Вони також не вирівнювалися близько до обертанню своїх планет. Один із способів досягнення такого полягає в тому, щоб якимось чином обмежити провідну рідину, відповідальну за динамо, лише тонкою зовнішньою оболонкою планети, замість того, щоб дозволити їй проникнути всередину ядра.

Але ідея про те, що ці планети можуть матитверді ядра, не здатні генерувати динамо, не здавалося реалістичною. Якби ви пробурили ці крижані гіганти, ви б очікували спершу зіткнутися з шаром іонної води, яка буде текти, проводити струми і брати участь в динамо. Здається, що навіть більш глибокий матеріал, навіть при більш високих температурах також буде рідиною, але це наївно. У планетологов є жарт про те, що надра Урана і Нептуна взагалі не можуть бути твердими. Але виявилося, що можуть.

вибуховою лід

Коппаро, Мілло і їх команда зібрали шматочки головоломки разом.

У більш ранньому експерименті, опублікованому влютому 2018 року, фізики отримали непрямі докази існування суперіонного льоду. Вони стискали краплю води кімнатної температури між загостреними кінцями двох огранених алмазів. Коли тиск піднявся приблизно до гігапаскаля, що приблизно в 10 разів більше, ніж на дні Маріанської западини, води перетворилася в Тетрагональна кристал, лід-VI. На 2 гігапаскаля він перейшов в лід-VII, більш щільну, кубічну форму, прозору для неозброєного ока, яка, як недавно виявили вчені, також існує в крихітних кишенях всередині природних алмазів.

Потім, використовуючи лазер OMEGA в Лабораторіїлазерної енергетики, Мілло і його колеги націлилися на лід-VII, все ще затиснутий між алмазними ковадлами. Коли лазер вдарив по поверхні алмазу, він випарував матеріал вгору, по суті відкинувши алмаз в протилежному напрямку і відправивши ударну хвилю через лід. Команда Мілло виявила, що сверхсдавленний лід розплавився при температурі близько 4700 градусів за Цельсієм, як і очікувалося для суперіонного льоду, і що він проводив електрику, завдяки руху заряджених протонів.

Після того, як прогнози щодо об'ємнихвластивостей суперіонного льоду підтвердилися, нове дослідження Коппаро і Мілло мало підтвердити його структуру. Якщо ви хочете підтвердити кристалічну природу, вам потрібна дифракція рентгенівських променів.

Їх новий експеримент пропустив лід-VI і лід-VIIвзагалі. Замість цього команда просто розбила воду між алмазними ковадлами лазерними пострілами. Через мільярдні частки секунди, поки ударні хвилі проникали крізь і вода почала кристалізуватися в нанометрові кубики льоду, учені додали ще 16 лазерних променів, щоб випарувати тонкий шматок заліза поруч зі зразком. Отримана плазма залила кристалізується воду рентгенівськими променями, які потім дифрагованим від кристалів льоду і дозволили команді розрізнити їх структуру.

Атоми в воді перебудувалися в давно передбачену, але які ніколи раніше не бачену архітектуру, лід-XVIII: кубічну решітку з атомами кисню на кожному розі і в центрі кожної грані.

«Це справжній прорив», говорить Коппаро.

«Той факт, що існування цієї фази не є артефактом квантово-молекулярного динамічного моделювання, а цілком реально - це дуже радує», говорить Бове.

І такого роду успішна перехресна перевірка якмоделювання, так і справжнього суперіонного льоду передбачає, що кінцева «мрія» дослідників фізики матеріалів може бути незабаром досягнута. «Ви говорите мені, які властивості матеріалу вам потрібні, ми йдемо до комп'ютера і теоретично з'ясовуємо, який матеріал і яка кристалічна структура вам потрібна», говорить Раймонд Джанлоз, вчений Каліфорнійського університету в Берклі.

Новий аналіз також натякає на те, що хочасуперіонного лід дійсно проводить деякий електрику, він є пухким, але твердим речовиною. Він буде потроху розтікатися, але текти - немає. Таким чином, рідкі шари всередині Урана і Нептуна можуть зупинитися приблизно на 8000 кілометрів углиб планети, де почнеться величезна мантія хиткого суперіонного льоду. Це обмежує більшість дій динамо на менших глибинах, з огляду на незвичайні поля планет.

Інші планети і місяця Сонячної системи,ймовірно, не мають внутрішніми температурами і тисками, які дозволили б існувати суперіонного льоду. Але безліч екзопланет розмірів крижаних гігантів дозволяють припустити, що ця речовина - суперіонного лід - буде поширений в крижаних світах по всій галактиці.

Звичайно, жодна планета не міститимуть однутільки воду. Крижані гіганти в нашій Сонячній системі також замішані з метану й аміаку. Ступінь, в якій суперіонний поведінка насправді знаходить місце в природі, «буде залежати від того, чи існують ці фази, коли ми замішуємо воду з іншими матеріалами», кажуть вчені. Втім, суперіонного аміак також повинен існувати.

Експерименти тривають. Як думаєте, чи дізнаємося ми одного разу, що знаходиться в центрі найбільших тел в нашій Сонячній системі? Поділіться думкою в нашому чаті в Телеграма.