Рейтинг@Mail.ru
Поиск
x
Наука

Ученым удалось создать суперионный лед. Он может существовать во внеземных мирах и недрах планет

National Geographic Россия
29 октября 2021
Это открытие стало сюрпризом для самих исследователей.

В зависимости от условий вода может образовывать более десятка различных структур. Теперь ученые добавили в этот список новую фазу – суперионный лед. Теоретически такая форма льда была предсказана еще 30 лет назад, но получить ее экспериментально было не так просто – и до сих пор невозможно было с уверенностью сказать, существует суперионный лед в реальности или нет. 

Этот вид льда образуется не при низких температурах, а при экстремальном давлении, которое существует глубоко под землей или близ ядра массивных планет вроде Нептуна. Хотя модели предсказывают некоторые условия, при которых должна появиться эта фаза воды, они немного расплывчаты, когда речь идет о точных температурах. Раньше суперионный лед получалось создать лишь на наносекунды, когда ученые синтезировали в алмазной наковальне водяной лед VII и взорвали его лазером. В новом исследовании физики нашли надежный способ создавать и поддерживать такой лед в течение длительного времени.

Теоретически суперионный лед – это структура молекул воды в виде решетки из атомов кислорода, окруженная группой непостоянных атомов водорода, которые постоянно перемещаются. Технически это лед, который существует как жидкость и твердое тело одновременно.

Ученые предполагали, что для создания суперионного льда образец воды необходимо поместить под давление не менее 50 гигапаскалей, а затем нагреть до экстремальных температур 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 гигапаскалей, они не ожидали, что совершат научный прорыв. 

«Это было сюрпризом – все думали, что такую фазу льда не удастся получить, пока вода не окажется под гораздо более высоким давлением. Но благодаря нескольким мощным инструментам мы смогли очень точно зафиксировать свойства нового льда, который представляет собой новую фазу материи», – Виталий Пракапенка, профессор-исследователь Чикагского университета.

Получив образец суперионного льда, команда использовала ускоритель APS для генерации пучка рентгеновских лучей: при рассеянии от образца льда эти рентгеновские лучи указывают на положение его атомов. Это позволило им определить, когда именно вода претерпела определенные фазовые переходы при изменении условий, и описать шаги, которые необходимо предпринять, чтобы получить суперионный лед. 

Исследователи увеличили давление в алмазной наковальне и нагрели его до 6226 градусов по Цельсию, что позволило составить карту стабильности двух фазовых переходов льда при высоких температурах и при давлении от 20 до 150 гигапаскалей.

Из-за того, как водород перемещается внутри суперионного льда, видимый свет с трудом проходит сквозь него, и он выглядит черным. Такое брожение атомов водорода, которые проходят сквозь решетку кислорода, также может влиять на окружающее электромагнитное поле и, возможно, даже играть роль в формировании собственной защитной магнитосферы планеты.

Разумеется, авторы работы заявили, что лед требует дальнейшего изучения. В частности, ученые хотят исследовать проводимость, вязкость и химическую стабильность новой материи, когда она смешивается с солями и другими минералами – именно такие процессы могут происходить глубоко под поверхностью земли.

рекомендации
Звезда

Кофейный ликбез

Механизм

Хозяева времени: как часы привели нас в будущее

Снежинка

Испытать снежность: 7 причин провести зимние каникулы в Челябинской области