Физики создали странный лед, который мог существовать на других планетах

Ученые знали об экзотических формах льда на протяжении десятилетий, но только недавно им удалось создать в лаборатории некоторые из наиболее экстремальных разновидностей льда.

Новое исследование, проведенное учеными из Чикагского университета и Вашингтонского института Карнеги в США, недавно держало каплю воды в алмазной ручке, увеличивая давление и готовя ее с помощью лазера, чтобы узнать, как она замерзает в “суперионное состояние“

Теоретически суперионный лед - это структура молекул воды в виде решетки из атомов кислорода, окруженная пулом непостоянных атомов водорода, которые просто не остаются на месте. Технически это лед, но как жидкость и твердое тело в одном.

Это также вид льда, который образуется не при низких температурах, а при экстремальном давлении. Подумайте об уровне давления, которое естественным образом формируется глубоко под землей или, что еще лучше, около ядра массивных планет, таких как Нептун.

Хотя модели предсказывают некоторые условия, при которых должна появиться эта фаза воды, они немного расплывчаты, когда речь идет о точных температурах.

В основе проблемы лежит вопрос о том, что называется тройной точкой - комбинацией давления и температуры, при которой вещество находится на грани плавления, замерзания и сублимации.

Чтобы сделать это еще более сложным, тип твердой структуры, в которой может оседать вода, также может варьироваться. Лед бывает разных форм , в зависимости от расположения и движения составляющих его элементов.

Эксперименты могли бы помочь определить характерные изменения между жидким и суперионным состояниями, но до сих пор получение надежного набора результатов было настоящей проблемой, поскольку наблюдения с использованием различных методов расходились на сотни градусов.

Обычно образец воды необходимо поместить под давлением не менее 50 гигапаскалей - в полмиллиона раз больше силы, которую вы испытываете прямо сейчас под атмосферой Земли, - а затем нагреть с помощью мощного лазера, чтобы приблизиться к чему-либо существенному.

Поэтому, когда группа физиков из Advanced Photon Source (APS) приступила к сжатию воды внутри алмазных тисков при относительно умеренных 20 гигапаскалей, они не ожидали многого.

“Это было неожиданностью - все думали, что эта фаза не появится, пока вы не окажетесь под гораздо более высоким давлением, чем то, где мы ее впервые обнаружили“, - говорит геофизик Виталий Пракапенко из Чикагского университета. “Но мы смогли очень точно отобразить свойства этого нового льда, который представляет собой новую фазу материи, благодаря нескольким мощным инструментам“.

Получив образец суперионного льда, команда смогла использовать 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 вода претерпела определенные фазовые переходы при изменении условий, и описать шаги, которые необходимо предпринять для превращения в суперионный лед.

Они смогли увеличить давление в алмазной наковальне и нагреть его до 6500 градусов Кельвина, что позволило им составить карту стабильности двух фазовых переходов льда при высоких температурах от 20 до 150 гигапаскалей.

Из-за того, как водород перемещается внутри экзотического льда, видимый свет с трудом проходит сквозь него, делая его черным.

Это гудение атомов водорода, протекающих через решетку кислорода, также может влиять на окружающее электромагнитное поле и, возможно, даже играть роль в формировании собственной защитной магнитосферы планеты.

Мы только начинаем понимать, как движение океанов нашей планеты и химический состав ее мантии тонко влияют на магнетизм нашего мира. Изучение того, как экзотический лед также подталкивает нас, может помочь нам в дальнейшей настройке наших моделей.

Напомним, ранее сообщалось, что физики создали самую низкую температуру из когда-либо зарегистрированных.

Источник