Ученые превратили воду в сверхгорячий «суперионный» лед

Lawrence Livermore National Laboratory illustration / Millot, Coppari, Hamel, Krauss
Понимание того, как и где формируется суперионный лед, может стать чрезвычайно полезным для поисков инопланетной жизни.

Исследование опубликовано в журнале Nature Physics, коротко о нем рассказывает Live Science.

Пар, жидкость и лед — это далеко не все состояния воды, известные современной физике. Различные способы, которыми связаны атомы водорода и кислорода, могут складываться друг с другом при различных температурах и давлениях. Благодаря этому молекулы воды могут составлять различные структуры, представляющие разные фазы водяного льда.

В настоящее время ученым известны 20 фаз льда. Так, например, лед VI имеет молекулы, образующие прямоугольные призмы, а лед VII — кубы. Лед XI переворачивается, будучи помещен в электрическое поле, а лед XIX является хрупким, и только его атомы водорода образуют регулярный узор.

Сверхгорячий и находящийся под высоким давлением суперионный лед — это XVIII открытая фаза льда и одна из самых необычных. Здесь атомы кислорода фиксируются на месте, как в твердом теле, но атомы водорода, отдавая свои электроны, становятся ионами — атомными ядрами, лишенными своих электронов и, следовательно, положительно заряженными, — которые могут свободно течь через лед как жидкость.

«Представьте себе куб, решетку с атомами кислорода по углам, соединенными водородом, — рассказал один из авторов исследования, геофизик из Чикагского университета Виталий Пракапенко. — Когда он трансформируется в новую суперионную фазу, решетка расширяется, позволяя атомам водорода перемещаться, а атомы кислорода остаются на своих местах. Это похоже на твердую решетку кислорода в океане плавающих атомов водорода».

Плавающие атомы водорода блокируют прохождение света сквозь суперионный лед, придавая ему черный цвет.

Впервые идея существования суперионного льда была выдвинута в 1988 году, а в 2018 такой лед впервые был получен. Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии взорвали каплю воды ударной волной высокого давления, генерируемой лазером. Таким образом они достигли температуры и давления, необходимых для появления суперионного льда, и даже измерили электропроводность льда и увидели его структуру за несколько наносекунд, пока этот лед не растаял.

В новом исследовании ученые планировали провести более детальные измерения, для этого им нужно было создать суперионный лед в более стабильной форме. Они сжали каплю воды алмазной наковальней весом 0,2 карата и взорвали каплю лазером. Твердость алмазов позволила наковальне создать на каплю давление, в 3,5 млн раз превышающее атмосферное давление Земли, а лазер нагрел ее до температур, превышающих температуру поверхности Солнца.

Этот метод дал исследователям в тысячу раз больше времени: уже не наносекунды, а микросекунды. С помощью устройства для ускорения электронов, называемого синхротроном, команда направила рентгеновские лучи на каплю. Измеряя интенсивность и углы рентгеновских лучей, рассеиваемых атомами внутри льда, исследователи определили структуру льда и смогли точно отобразить различные фазовые переходы капли воды, когда она трансформировалась в суперионный лед.

Суперионный лед существует при тех же давлениях и температурах, что и в центре планет. Поскольку свободно плавающие ионы водорода могут создавать магнитное поле, возможно, суперионный лед играет существенную роль в индукции магнитосферы, окружающей планету. А магнитосферы, в свою очередь, несут ответственность за защиту планет от вредного солнечного излучения и космических лучей. Таким образом, знание того, как и где формируется суперионный лед, может стать чрезвычайно полезным для ученых, ищущих инопланетную жизнь.