Физики создали необычный лед, устойчивый к экстремальным температурам
Международная группа физиков впервые получила экспериментальное подтверждение существования необычной формы воды с аномальными свойствами. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters и раскрывает природу экзотического состояния вещества, которое формируется при экстремальных условиях давления и температуры.
Гибридная природа суперионного льда
В привычных условиях вода при нагревании преобразуется в газообразное состояние и расширяется. Однако при воздействии огромного давления этот процесс становится невозможным, и вещество переходит в так называемое суперионное состояние — уникальную комбинацию свойств твердого тела и жидкости.
В этом гибридном состоянии атомы кислорода сохраняют неподвижность и образуют жесткую кристаллическую решетку, подобно обычному льду. В то же время ядра водорода получают способность свободно перемещаться сквозь эту решетку, действуя как частицы в жидкости.
Методика и параметры эксперимента
Для воссоздания условий, существующих во внутренних слоях планет-гигантов, ученые применили инновационный подход. Микроскопические капли воды сжимали между острыми концами алмазов и одновременно нагревали мощными лазерными пучками.
Экспериментальные параметры достигли экстремальных значений: давление составило 230 гигапаскалей (что соответствует 2,3 миллиона атмосфер; для справки, в центре Земли давление равно примерно 360 гигапаскалям). Температура образцов повышалась до 2357 °C, при этом переходные этапы начинались с 1427 °C, а стабилизация основной фазы происходила при 1977 °C.
Структурный анализ проводился с использованием узконаправленного пучка рентгеновского излучения, что позволило детально исследовать изменения в кристаллической решетке образцов.
Исследователи обнаружили, что при превышении давления в 200 гигапаскалей новая гексагональная кристаллическая форма становится основной и стабильной структурой, вытесняя известную ранее кубическую форму. Процесс перехода в суперионное состояние инициируется уже при температуре около 1427 °C.
Значение для астрономии и космологии
Результаты исследования имеют принципиальное значение для астрономической науки и глубокого понимания структуры дальних планет нашей системы. Предполагается, что суперионный лед составляет значительную часть недр Урана и Нептуна.
Если вновь открытая гексагональная фаза обладает способностью проводить электрический ток и проявляет иные механические свойства деформации в сравнении с известными ранее формами льда, это потребует полной переработки существующих моделей, описывающих движение вещества и распределение электрических зарядов внутри ледяных гигантов.
Именно внутренние процессы, протекающие в глубинах этих планет, определяют формирование их асимметричных и непредсказуемых магнитных полей. Авторы исследования обращаются к теоретикам с призывом провести дополнительные математические расчеты для всестороннего изучения электрических и механических характеристик вновь обнаруженной фазы воды.
