Аннотация:
Лед обычно означает низкую температуру, но теперь ученые подтвердили, что в условиях чрезвычайно высокого давления вода может образовывать особый вид «льда», который все еще существует при температурах, превышающих 2000°C. Французская исследовательская группа недавно успешно создала в лаборатории новый тип льда, существование которого ранее теоретически предсказывалось, — гексагональный плотноупакованный суперионный лед. Этот материал не является полностью твердым, как обычный лед, и не может свободно течь, как жидкость, а его уникальная структура может помочь объяснить необычно сложные магнитные поля внутри ледяных планет-гигантов, таких как Уран и Нептун.
Вода — одно из самых распространенных веществ на Земле и незаменимо для жизни. Однако с физической и химической точки зрения вода на самом деле обладает многими совершенно аномальными свойствами. Например, объем обычной жидкой воды при замерзании увеличится. Плотность льда ниже плотности жидкой воды; вода также имеет необычно высокое поверхностное натяжение и температуру кипения. Если рассчитывать исключительно на основе молекулярной массы молекул воды, вода с большей вероятностью может существовать в форме газа при комнатной температуре.
Когда окружающая среда перемещается с поверхности Земли в глубь планеты, одновременно создавая экстремальные температуры и давления, вода ведет себя еще более своеобразно. На этот раз исследователи смоделировали экстремальные условия внутри Урана и Нептуна в лаборатории и впервые непосредственно запечатлели кристаллическую структуру гексагонального плотноупакованного суперионного льда.
Так называемый «суперионный лед» — это особое состояние вещества между традиционными твердыми телами и жидкостями. Когда вода подвергается огромному давлению в миллионы атмосфер, материал способен сохранять твердую решетчатую структуру даже при очень высоких температурах. В этом состоянии полноценные молекулы воды в традиционном понимании уже не существуют. Атомы кислорода фиксируются в положении кристаллической решетки, в то время как ядра водорода могут быстро перемещаться между кристаллической решеткой, состоящей из атомов кислорода, подобно частицам в жидкости.
Поэтому с макроскопической точки зрения это вещество обладает некоторыми характеристиками как твердого, так и жидкого: атомы кислорода образуют стабильную твердую решетку, а атомы водорода обладают высокой подвижностью. Эта уникальная структура также делает суперионный лед очень проводящим.
Чтобы создать это экстремальное вещество, исследователи поместили очень маленький образец воды между двумя алмазными наконечниками, а затем постепенно создали давление до 2,3 миллиона атмосфер. Для сравнения, давление в ядре Земли составляет около 3,6 миллиона атмосфер. Затем исследователи использовали мощные лазеры для нагрева сжатой воды до температуры 2630 Кельвинов, или примерно 2357°C.
В таких экстремальных условиях исследователи использовали высокоэнергетическое синхротронное рентгеновское излучение, чтобы провести детальное сканирование образцов и наблюдать структурные изменения воды в средах с высокой температурой и высоким давлением на атомном уровне. Наконец, в эксперименте были зафиксированы суперионные кристаллы льда, в которых атомы кислорода расположены в гексагональной плотноупакованной структуре, то есть ГПУ-структуре.
Эксперимент также выявил процесс формирования этой структуры. Поскольку давление и температура продолжают расти, первоначально сформировавшаяся ГЦК-структура не будет оставаться стабильной вечно. Между различными слоями внутри кристалла постепенно будет происходить скольжение, и в конечном итоге исходная структура полностью преобразуется в более стабильную гексагональную плотноупакованную структуру, образуя таким образом суперионный лед ГПУ, который ранее был в центре внимания теоретических предсказаний.
Значение этого открытия заключается не только в создании «льда температурой более 2000 градусов по Цельсию». Ученые давно полагали, что внутри ледяных планет-гигантов, таких как Уран и Нептун, могут находиться огромные слои суперионного льда, а особая проводимость этого материала может быть тесно связана с чрезвычайно необычными магнитными полями двух планет.
Магнитные поля Урана и Нептуна существенно отличаются от земных. Магнитное поле Земли примерно образует относительно правильную структуру вокруг оси вращения планеты, однако магнитные поля Урана и Нептуна значительно отклонены от центра планеты и оси вращения, их структура сложна и асимметрична. Ранее ученые предположили, что область, генерирующая это аномальное магнитное поле, может находиться не в ядре планеты, а в проводящем слое, состоящем из высоковольтного материала внутри нее.
Суперионный лед обладает очень важным свойством — он может проводить электричество. Поскольку ядра водорода могут свободно перемещаться между фиксированной решеткой атомов кислорода, этот материал способен развивать электрические и гидродинамические свойства, которые полностью отличаются от обычного льда. Если такой слой материала действительно существует внутри Урана и Нептуна, он может быть одним из важных факторов, управляющих странными магнитными полями двух планет.
Ученые ранее получали доказательства существования суперионного льда посредством теоретических расчетов и других экспериментов при высоком давлении, но этот эксперимент еще раз подтвердил, что этот материал может образовывать гексагональную плотноупакованную структуру в экстремальных условиях. Исследователи полагают, что этот результат означает, что некоторые модели внутренней структуры, механизмов проводимости и материального потока ледяных планет-гигантов, возможно, нуждаются в пересмотре.
Что еще более важно, условия температуры и давления внутри Урана и Нептуна не могут возникнуть естественным образом на поверхности Земли, поэтому лабораторные эксперименты с высоковольтным лазером стали важным средством изучения этих далеких миров. Воссоздавая недра планет на Земле, ученые смогут напрямую изучать состояния материи, недоступные космическим кораблям.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters. Для планетологов подтверждение существования гексагонального плотно упакованного суперионного льда не только еще больше раскрывает сложные формы, которые вода может принимать в экстремальных условиях, но также обеспечивает новую физическую основу для понимания двух самых далеких планет-гигантов в Солнечной системе.
Другими словами, так называемый «лёд, превышающий 2000°C», означает не то, что кубики льда не будут таять при высоких температурах в обычном понимании, а совершенно новое состояние вещества, образовавшееся под огромным давлением. В такой среде вода полностью отошла от твердого, жидкого и газообразного состояния, с которым мы знакомы каждый день, и приняла странную структуру, в которой атомы кислорода фиксированы, а атомы водорода свободно движутся. Такие экстремальные состояния материи, вероятно, спрятаны глубоко в Уране и Нептуне, на расстоянии миллиардов километров.
Комментарии