Ученые раскрывают новые тайны сверхгорячего «суперионного» льда
В результате эксперимента обнаружена новая и загадочная фаза воды. Эта «странная черная» вода, называемая суперионным льдом, существует при тех же давлениях и температурах, что и в центре Земли — факт, который вскоре может помочь исследователям исследовать секреты, спрятанные в ядрах других миров.
Читайте также: Кофе и чай — самые популярные напитки в мире, причем около 70% людей ежедневно употребляют как первый, так и второй. Кофе содержит кофеин, выступает источником антиоксидантов и других биологически активных соединений. Подробнее: Ученые нашли самое полезное для здоровья сочетание кофе и чая
Раньше исследователи использовали ударные волны, чтобы создать этот странный лед всего за 20 наносекунд, прежде чем он растворился. Этот новый эксперимент знаменует собой первый случай, когда ученые создали стабильный суперионный лед, который держится достаточно долго, чтобы его можно было подробно изучить.
Исследователи опубликовали свои выводы в журнале Nature Physics.
«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 соавтор исследования Виталий Пракапенко, геофизик из Чикагского университета и специалист по пучку лучей из усовершенствованного источника фотонов в Аргоннской национальной лаборатории.
Жидкость, пар и лед являются наиболее распространенными фазами воды, но молекулы воды также могут оседать в других структурах, представляющих разные фазы.
Ученые уже выявили 20 фаз водяного льда, используя различные способы. Например, лед VI и лед VII имеют молекулы, которые образуют прямоугольные призмы или кубы соответственно. Лед XI переворачивается, если он помещен в электрическое поле, а лед XIX является хрупким, и только его атомы водорода образуют регулярный узор.
Сверхгорячий и находящийся под высоким давлением суперионный лед — это 18-я открытая фаза льда, и это одна из самых странных на сегодняшний день. Это потому, что его атомы кислорода фиксируются на месте, как в твердом теле, но атомы водорода, отдавая свои электроны, становятся ионами — атомными ядрами, лишенными своих электронов и, следовательно, положительно заряженными, — которые могут свободно течь через лед, как если бы они были жидкостью.
«Представьте себе куб, решетку с атомами кислорода в углах, соединенными водородом. Когда он трансформируется в новую суперионную фазу, решетка расширяется, позволяя атомам водорода перемещаться, в то время как атомы кислорода остаются на своих позициях. Это похоже на твердую решетку кислорода, сидящую в океане плавающих атомов водорода», — сказал Пракапенко и добавил, что эти плавающие атомы водорода предсказуемым образом блокируют прохождение света сквозь лед, придавая ему черный цвет.
Группа под руководством профессора химии Университета Сассари Пьерфранко Демонтиса впервые предположила существование суперионного льда в 1988 году, а исследователи из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии обнаружили первые доказательства этого в 2018 году.
Путем взрыва капли воды ударной волной высокого давления, генерируемой лазером, исследователи достигли температуры и давления, необходимых для мгновенного появления суперионного льда, и даже измерили электропроводность льда и увидели его структуру за несколько наносекунд до того, как таял суперионный лед.
Чтобы провести более детальные измерения, Пракапенко и его коллегам нужно было создать лед в более стабильной форме. Поэтому они сжали каплю воды алмазной наковальней весом 0,2 карата и взорвали ее лазером.
Твердость алмазов позволила наковальне создать на каплю давление, в 3,5 миллиона раз превышающее атмосферное давление Земли, а лазер нагрел ее до температур, превышающих температуру поверхности Солнца. Затем с помощью устройства для ускорения электронов, называемого синхротроном, команда направила рентгеновские лучи на каплю. Измеряя интенсивность и углы рентгеновских лучей, рассеиваемых атомами внутри льда, исследователи определили структуру суперионного льда.
Этот метод дал исследователям более длительные временные рамки — в диапазоне микросекунд (миллионных долей секунды) — для наблюдения за их льдом, чем в эксперименте с ударной волной. Это дополнительное время означало, что они могли точно отобразить различные фазовые переходы капли воды, когда она трансформировалась в суперионный лед.
Дальнейшие исследования могут помочь ученым лучше понять свойства льда и составить карту условий, при которых в природе встречаются различные фазы льда.
Поскольку свободно плавающие ионы водорода могут создавать магнитное поле, исследователи задаются вопросом, погребены ли суперионные льды в ядрах планет, таких как Нептун и Уран, или они заперты в замороженных морях спутника Юпитера Европы, имеющего ледяную корку.
По словам ученых, если это действительно так, то льды могут играть ключевую роль в индукции магнитосфер, окружающих эти миры, или инопланетных миров за пределами нашей солнечной системы.
Поскольку магнитосферы, в свою очередь, несут ответственность за защиту планет от вредного солнечного излучения и космических лучей, знание того, как и где формируется суперионный лед, может стать чрезвычайно полезным руководством для ученых, ищущих инопланетную жизнь.
Комментарии 0