При тиску, що в мільйони разів перевищує атмосферний тиск на Землі, вода перестає поводитися як звична нам H2O. В екстремальних умовах, характерних для глибоких надр планет-крижаних гігантів, вчені змогли отримати найчіткіше на сьогоднішній день зображення “суперіонного льоду”.
Ця назва описує дивний стан речовини, при якому атоми кисню фіксуються в кристалічній решітці, в той час як атоми водню вільно течуть, подібно до рідини. Цей незвичайний стан можна порівняти з молекулярною в’язницею, де прути решітки тверді, але ув’язнені бігають всередині абсолютно вільно, пише StudyFinds.
Використовуючи найпотужніші в світі рентгенівські лазери, дослідники стиснули зразки води до тиску 180 гігапаскалів (майже в 1,8 мільйона разів більше земного атмосферного тиску), одночасно нагріваючи їх до тисяч градусів. У цих екстремальних умовах команда спостерігала те, що теоретики передбачали, але ніколи не бачили чітко: атоми кисню не вибудовуються в просту, впорядковану схему. Замість цього вони утворюють заплутану структуру, що змішує два різних порядки розташування, постійно перемикаючись туди і назад, немов кристал, який “не може прийняти рішення”.
Суперіонна вода на Урані та Нептуні
Уран і Нептун, ймовірно, містять величезні океани такої суперйонної води глибоко в своїх надрах. Незважаючи на назву “крижані гіганти”, ці планети складаються не зі звичайного льоду. Жахливі тиск і температури стискають воду в цей дивний суперіонний стан. Саме він може пояснити деякі загадкові особливості цих далеких світів, включаючи їх нахилені, зміщені відносно центру магнітні поля, які не збігаються з віссю обертання планет.
Попередні експерименти давали суперечливі результати. Одні команди повідомляли, що бачать одну кристалічну структуру за певних умов, інші спостерігали зовсім інші структури за схожих тиску і температури. Ця плутанина зберігалася роками.
Останні вимірювання, опубліковані в журналі Nature Communications, можуть, нарешті, розгадати цю таємницю. Синхронізувавши надшвидкі рентгенівські імпульси з лазерним ударним стисненням, команда зафіксувала дифракційні картини з набагато кращою роздільною здатністю, ніж при ранніх спробах. Рентгенівські імпульси тривали всього 50 фемтосекунд (якщо розтягнути фемтосекунду до однієї секунди, то звичайна секунда тривала б 32 мільйони років). Ці вимірювання фактично “заморозили” структуру води до того, як вона встигла змінитися.
Компроміс природи під тиском
При помірних тисках (нижче 120 гігапаскалів) експерименти виявили дві різні кристалічні структури, що існують пліч-о-пліч. Деякі дослідники припускали, що причиною можуть бути перепади температур, але нові дані вказують на щось більш цікаве: обидва варіанти розташування настільки близькі за енергією, що вода дійсно “не може вибрати” один з них.
Комп’ютерне моделювання передбачало таку поведінку. У цих умовах енергетичні витрати на формування будь-якої зі структур майже ідентичні, тому молекули води кристалізуються в той візерунок, який випадково складається локально.
Коли тиск піднімається вище 150 гігапаскалів, одна структура починає домінувати. Однак є нюанс. Приблизно від 25 до 32 відсотків шарів укладаються в іншій послідовності, створюючи безлад, вплетений в кристал. Моделювання з використанням машинного навчання, навчене на квантових розрахунках поведінки води, видало практично ідентичні патерни тим, що виміряли в експерименті.
Це підтверджує: невпорядкована структура реальна, а не є побічним ефектом методу стиснення зразків.
Як вони це зробили
Щоб перевести воду в такі екстремальні стани, потрібно було затиснути тонкі шари води (приблизно половина товщини людської волосини) між алмазними вікнами. Потужні лазерні імпульси ударяли по алмазу, генеруючи ударні хвилі, які відбивалися туди і назад, стискаючи воду ступінчасто, а не миттєво. Кожен експеримент тривав всього наносекунди і знищував мішень, тому команда повторювала процес безліч разів для перевірки результатів.
При найнижчих з вивчених тисків (близько 25-50 гігапаскалів) вони виявили більш прості і впорядковані крижані структури. Але в міру зростання тиску виникали змішані, хаотичні патерни.
Що відкриває цей експеримент
Чи є цей “безлад укладання” постійним або тимчасовим, поки невідомо. Подібні дефекти з’являються в звичайному льоді, який формується швидко, а потім поступово реорганізується. Якщо дефекти в суперионному льоді тимчасові, вони можуть не сильно впливати на надра планет.
Але якщо вони стабільні, це може змінити те, як тепло і електрика проходять через матеріал, що має вирішальне значення для магнітних полів.
Потік заряджених іонів водню через кисневу решітку генерує магнітні поля за допомогою так званого “ефекту динамо”. Будь-яка структурна особливість, яка направляє або блокує цей потік, може змінити силу і форму поля. Вчені пропонували різні пояснення того, чому у Урана і Нептуна такі дивні магнітні поля, і внутрішня структура суперионної води може бути частиною відповіді.
Вода здається простою (всього два атоми водню, пов’язані з киснем), але вона утворює щонайменше 19 різних видів льоду в залежності від тиску і температури. Додайте сюди суперйонні варіанти і цей нещодавно виявлений “безлад”, і вода починає виглядати не як базова речовина, а як щось, повне нерозкритих таємниць.
Останні відкриття, технологічні прориви, дослідження та інновації, що змінюють світ. Дізнавайтеся про найважливіші досягнення в галузях фізики, біології, космосу й медицини – у розділі «Наука».