Вчені під гіганським тиском та при температурі близькій до половини температури Сонця створили лід

У світі, в якому ми еволюціонували, вода – найпоширеніша й найочевидніша речовина. Вона покриває 71 відсоток нашої планети, хоча становить лише 1/4400 загальної маси Землі. Тіло дорослої людини на 55, а то й на 60 відсотків складається з води, що становить близько 38–42 літрів.

Вода – універсальний розчинник для земного життя. Космос теж сповнений води: ми знайдемо її в кометному льоді, хмарах, що утворюють зірки, або в атмосферах екзопланет. Однак якщо розглядати воду виключно як рідину, вона поводиться зовсім не так, як більшість інших рідин, передають Патріоти України з посиланням на National Geographic Polska.

Коли вода замерзає, її щільність зменшується. У неї напрочуд високий поверхневий натяг. Температура кипіння теж незвично висока. А з огляду на її молекулярну масу, за кімнатної температури вона мала б бути газом. Виявляється, однак, що достатньо трохи змінити тиск і температуру, і своєрідна поведінка води стає ще більш незвичайною.

Виключно дивна рідина

Вчені з французьких та європейських дослідницьких інститутів нещодавно продемонстрували одну з найдивніших із відомих на сьогодні форм льоду. Форму, що утворюється під тиском, який сягає 2,3 мільйона атмосфер, і при величезній температурі, що досягає 2630 кельвінів (2357 °C).

Щоб краще це зрозуміти, можна сказати, що вона утворюється під тиском, який у понад 2000 разів перевищує той, що панує на дні Маріанської западини. Це також 64 % тиску, що панує в самому центрі нашої планети. А температура в 2630 кельвінів – це майже половина тієї, що існує на поверхні Сонця.

Цілком інтуїтивно ми б очікували, що при високій температурі вода має просто перетворитися на газ, а то й частково розпастися на атоми кисню та водню, з яких вона складається.

Однак за астрономічних тисків, що спостерігаються глибоко всередині планет, відбувається щось цікаве.

Зупинене розширення

Коли вода переходить із рідкого стану в газоподібний, тобто в пару, вона збільшує свій об’єм. Під нищівним тиском у мільйони атмосфер таке розширення зупиняється.

У такій ситуації вода може залишатися надзвичайно щільною та набувати екзотичних форм, абсолютно не схожих на лід, що зустрічається на поверхні Землі.

Одна з таких форм – суперіонний лід. Цим терміном ми позначаємо надзвичайно своєрідний стан речовини, який не є ані повністю твердим, ані повністю рідким.

Атоми кисню залишаються нерухомими в жорсткій кристалічній решітці, як у твердому тілі. Тоді як ядра водню стають рухомими й переміщуються через цю решітку скоріше подібно до частинок у рідині. Однак достатньо невеликої зміни фізичних умов, щоб атоми кисню в льоді утворили окремі кристалічні фази.

Ми вже знаємо понад двадцять таких різновидів водяного льоду, і частина з них в екстремальних умовах переходить у так званий суперионний стан. Дослідники постійно відкривають нові.

Під крижаною корою Урана та Нептуна

Додамо, що суперіонний лід, ймовірно, знаходиться глибоко всередині крижаних гігантів, тобто Урана та Нептуна. Нетипова природа суперіонного льоду може впливати на виникнення своєрідних магнітних полів обох цих планет.

Команда під керівництвом фізика Алексіса Форестьє з французької Комісії з альтернативної енергії та атомної енергії провела експерименти, в яких невеликі зразки води піддавалися умовам, близьким до тих, що панують усередині крижаних гігантів.

Матеріал стискали між лезами з алмазів аж до тиску в 230 гігапаскалів, тобто в 2,3 мільйона разів більше за земний атмосферний тиск на рівні моря, одночасно нагріваючи зразки лазерами до температур близько тисячі градусів.

Зміни в кристалічній структурі льоду відстежували за допомогою надзвичайно точного пучка рентгенівського випромінювання з синхротрона. Він виявив структуру, раніше передбачену лише теоретично, але ніколи не підтверджену експериментально, а саме лід із гексагональною щільною упаковкою (hcp).

Те, як кристал hcp розширювався під час нагрівання, вказувало на ознаки, типові для суперіонного стану, що припускає, що цей перехід відбувався при температурі, близькій до 1700 кельвінів.

Назва структури пов’язана зі способом розташування атомів кисню – подібно до того, як під час укладання однакових кульок шарами існує кілька способів їх максимально щільної упаковки.

Раніше відомий різновид суперионного льоду мав гранецентричну кубічну структуру (fcc), тоді як нововідкритий лід hcp відрізняється порядком розташування наступних шарів.

Поки що знання про властивості льоду hcp досить обмежені, оскільки цей матеріал було відкрито зовсім недавно. Вчені пропонують подальші теоретичні дослідження, які дозволили б краще вивчити його механічні властивості (наприклад, пластичність) та електропровідність.

А також нові експерименти, які дозволили б точно визначити діапазон тисків і температур, у яких структура HCP залишається стабільною порівняно з fcc.