Широко відомі три форми води: рідина, пара і лід, але насправді вона може утворювати більше десятка різних структур. Однак багато хто з них виникають при досить специфічних умовах, і спостерігати їх в природі неможливо. Вчені відтворили в лабораторії ці умови і отримали нову форму води.
планета уран, в глибині якої імовірно існує чорний суперіонний лід. Вчені припускають, що він впливає на магнітні поля планет, схожих на уран і плутон. Зображення: nasa.
Для формування суперіонного льоду потрібна висока температура і великий тиск. Фізикам доводилося і раніше спостерігати його при впливі ударної хвилі на краплю води, але тоді структура проіснувала всього кілька секунд. І ось тепер вчені змогли створити стійкий зразок чорного льоду і досліджувати його.
В ході експерименту застосовували aps (advanced photon source) – масивний прискорювач електронів, що розганяє частинки практично до швидкості світла. В результаті були згенеровані пучки яскравих рентгенівських променів. Зразок льоду затиснули між двома шматками алмазу для створення сильного тиску, потім нагріли за допомогою лазера. Нарешті, на лід направили рентгенівські промені: в залежності від їх розсіювання можна було визначити розташування атомів в структурі.
Утворення стійкого суперіонного льоду здивувало вчених, так як вони були впевнені, що ця форма може існувати тільки при тиску в 50 гпа. Але під час експерименту тиск збільшили всього до 20 гпа. Спочатку фізики вирішили, що сталася небажана хімічна реакція, але коли лазер вимкнули, лід повернувся до вихідного стану. Це свідчило про оборотну зміну структури, а не про хімічну реакцію.
вчені використовували в лабораторії алмази і яскраве рентгенівське випромінювання для відтворення умов екстремальної спеки і тиску, які існують глибоко всередині планет. При цьому була виявлена нова фаза води. Зображення: vitali prakapenka
Суперіонний лід являє собою кубічну решітку, в кутах якої розташовані атоми кисню, а між ними – водень. Причому ця решітка розширюється, і частинки водню починають вільно переміщатися, але кисень залишається на своїх місцях. Тобто фактично утворюється тверда киснева решітка серед плаваючих атомів водню.
Така структура впливає на властивості льоду: у порівнянні зі звичайним він менш щільний і інакше взаємодіє зі світлом, через що має більш темний колір. Проте повні властивості суперіонного льоду ще не вивчені. Наприклад, вчених цікавить його провідність, в’язкість, хімічна стабільність, зміна властивостей при змішуванні з солями або мінералами.
Вивчення умов виникнення суперіонного льоду, ймовірно, допоможе дізнатися, як сформувалися деякі інші планети і чи варто шукати на них життя. Наприклад, вчені вважають, що суперіонний лід може перебувати всередині нептуна і урану.
Справа в тому, що властивості льоду впливають на магнітні поля планет, від яких значною мірою залежить, чи може на них існувати життя. Так, потужні магнітні поля землі захищають її від радіації і космічних променів, в той час як поверхня марса і меркурія відкрита для зовнішнього впливу.
