Условия, при которых исследователи наблюдали новую фазу льда с гексагональной кристаллической решёткой (заштрихованные треугольники и заштрихованные кружки), свидетельствуют о её появлении при экстремальных давлениях и температурах
Учёные продемонстрировали одну из самых необычных форм льда: она существует при чудовищном давлении до 2,3 миллиона атмосфер и температуре до 2630 кельвинов, или 2357 градусов Цельсия.
Когда вода переходит из жидкого состояния в газообразное, то есть превращается в пар, она расширяется. Под огромным давлением, составляющим миллионы атмосфер, это расширение сдерживается. В результате вода может сохранять чрезвычайно высокую плотность, принимая необычные формы, не похожие ни на один из видов льда, с которыми мы сталкиваемся на поверхности Земли. Одна из таких экзотических форм вещества — суперионный лёд, необычное состояние, которое нельзя назвать полностью твёрдым или жидким. Атомы кислорода в нём остаются зафиксированными в жёсткой кристаллической решётке, как в твёрдом теле. Однако ядра водорода свободно перемещаются через эту решётку, напоминая частицы жидкости. Считается, что суперионный лёд может существовать глубоко внутри Урана и Нептуна, а его необычные свойства способны играть роль в формировании столь же необычных магнитных полей этих планет.
В новых экспериментах группа под руководством физика Алексиса Форестье из французского Комиссариата по атомной и альтернативным видам энергии подвергла крошечные образцы воды воздействию экстремальных условий, характерных для недр ледяных гигантов. Образцы сжимали между алмазными наковальнями до давления в 230 гигапаскалей и одновременно нагревали лазерами до нескольких тысяч градусов.
В результате исследователи обнаружили структуру, существование которой ранее предсказывалось теоретически, но которую до сих пор не удавалось однозначно наблюдать в эксперименте: гексагональную плотноупакованную, или hcp‑фазу льда. При нагревании её тепловое расширение также продемонстрировало признаки суперионного поведения, что указывает на переход в суперионное состояние примерно при 1700 кельвинах.
У одной из ранее известных форм суперионного льда атомы кислорода образуют гранецентрированную кубическую, или fcc‑структуру. В новой hcp‑фазе те же плотно упакованные слои располагаются в другой последовательности. Исследователи получили данные, указывающие на возможность перехода одной структуры в другую за счёт смещения этих слоёв.
Танец кислорода и водорода в суперионном льду
При максимальных исследованных условиях, 219 гигапаскалях и 2630 кельвинах, сигнал fcc‑фазы почти исчез, а hcp‑фаза стала явно доминировать. Результаты показывают, что при давлениях выше примерно 200 гигапаскалей hcp может становиться более устойчивой структурой суперионного льда.
Если электрическая проводимость hcp‑льда отличается от fcc‑льда, его присутствие в глубинах Урана и Нептуна может повлиять на модели движения вещества и электрических зарядов в недрах этих планет. Эти процессы, предположительно, участвуют в формировании их необычных, несимметричных магнитных полей. Однако свойства hcp‑льда пока практически неизвестны.
Исследователи призывают подробнее изучить прежде всего его механическую пластичность и электрическую проводимость. Потребуются и дополнительные эксперименты, чтобы точно определить диапазоны давления и температуры, в которых hcp‑фаза устойчива по сравнению с fcc‑фазой.
Источник: habr.com