Сверхгорячий «суперионный» лед — новое состояние материи

Ученые просто зажали каплю воды между двумя алмазами и взорвали ее до звездных температур с помощью одного из самых мощных лазеров в мире.

Результатом стала 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.

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 14 октября в журнале Nature Physics.

«Это было сюрпризом — все думали, что эта фаза не появится, пока вы не окажетесь под гораздо более высоким давлением, чем то, где мы ее впервые обнаружили», — соавтор исследования Виталий Пракапенко, геофизик из Чикагского университета и специалист в области лучевой терапии из Advanced Источник фотона в Аргоннской национальной лаборатории, говорится в заявлении.

Жидкость, пар и лед являются наиболее распространенными фазами воды, но молекулы воды также могут оседать в других структурах, представляющих разные фазы. Фактически, ученые определили 20 фаз водяного льда — различные способы, которыми связаны атомы водорода и кислорода, могут складываться друг с другом при различных температурах и давлениях.

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, как ранее сообщала Live Science. Сверхгорячий и находящийся под высоким давлением суперионный лед — это 18-я открытая фаза льда, и на сегодняшний день это одна из самых странных.

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 по углам, соединенными водородом», — сказал Пракапенко. «Когда он трансформируется в эту новую суперионную фазу, решетка расширяется, позволяя атомам водорода перемещаться, в то время как атомы кислорода остаются на своих местах.

Это похоже на твердую решетку кислорода, сидящую в океане плавающих атомов водорода». 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 (миллиардные доли секунды). секунду) 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 свою 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.

Если это 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.

На данный момент есть еще много свойств нового льда, которые необходимо изучить, включая его проводимость, вязкость и химическую стабильность — важную информацию для предсказания того, где может образоваться странный лед в другом месте. «Это новое состояние материи, поэтому оно в основном действует как новый материал, и оно может отличаться от того, что мы думали», — сказал Пракапенко.