Новое состояние воды: суперионный лед, воспроизведенный в лаборатории
Впервые наблюдаемый в 2018 году, исследовательская группа воссоздала эту особую форму льда, чтобы изучить ее в деталях. Дальнейший анализ может также помочь понять формирование магнитосфер Урана и Нептуна, а также экзопланет, для которых характерны те же защитные механизмы.
В повседневной жизни вода известна в трех наиболее распространенных состояниях: жидком, газообразном и твердом. Но в действительности ее формы многообразны. На сегодняшний день обнаружено 20 различных форм твердой фазы. 18 известен как суперионный лед.
Такая конфигурация впервые наблюдалась в 2018 году, но только в течение нескольких наносекунд. Очень маленькое время, равное 1 миллиардной доле секунды. Недавно группа ученых воссоздала это состояние материи, стабилизировав его на несколько микросекунд. Достаточно долго, чтобы изучить его фазовые переходы от состояния капли воды к суперионному льду и наблюдать его структуру. Структура суперионного льда, в частности, обладает некоторыми интересными свойствами, такими как генерация магнитного поля. Поэтому суперионный лед может стать важным ключом к формированию магнитосферы таких планет, как Нептун и Уран, не исключая и те, которые обнаружены за пределами Солнечной системы.
Восемнадцатая форма льда
Общеизвестно, что вода состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. В классической кристаллической фазе несколько молекул соединены очень прочной связью. Эта форма известна как лед Ih. Суперионный лед, с другой стороны, состоит из решетчатой структуры атомов кислорода, которые фиксированы в своем положении. Атомы водорода, с другой стороны, становятся ионами – частицами, которые зарядились в результате потери одного или нескольких электронов, и движутся через решетку как жидкость.
Этот океан водорода придает льду два интересных свойства:
- Черная окраска, обусловленная потоком водорода, который препятствует проникновению света через лед;
- генерация магнитного поля.
Сложное производство
Теории о существовании этого состояния материи появились еще в 1988 году, выдвинутые исследовательской группой под руководством профессора Пьерфранко Демонтиса из Университета Сассари. Однако потребовалось около 30 лет, прежде чем было получено экспериментальное доказательство. В Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в Калифорнии в 2018 году были получены первые свидетельства существования этой новой формы льда, формирование которого длилось всего несколько наносекунд. Благодаря этому наблюдению исследователи смогли измерить электропроводность, которая указывает на способность материала пропускать через себя ток. В то время его структура была видна лишь мельком, но благодаря последним исследованиям она была раскрыта в деталях.
Как показывает длительное ожидание с момента теоретического обоснования, получить этот тип льда на практике не так-то просто. Это требует очень высоких давлений и температур, аналогичных тем, которые наблюдаются в центре Земли. В методе, который позволил ученым создать этот материал, использовались алмазные наковальни весом 0,2 карата и лазер. Наковальни сжимали каплю воды до давления, в 3,5 миллиона раз превышающего атмосферное. Лазер нагрел воду до температуры, превышающей температуру на поверхности Солнца. Чтобы получить структуру кристаллической решетки, каплю подвергли воздействию рентгеновского излучения, полученного с помощью ускорителя электронов, называемого синхротроном. Таким образом, компонент рассеянного излучения обеспечивает карту решетки суперионного льда.
Множественные кристаллические формы
Как уже упоминалось выше, лед до сих пор наблюдался в 20 различных формах. Различия в основном структурные: связи между атомами, образующими молекулы воды, меняются при изменении температуры и давления образца. В результате получаются шестиугольные решетки, наиболее распространенным примером которых являются снежинки, или более экзотические формы. К ним относится суперионный лед.
В ядре планеты
Учитывая условия, необходимые для формирования этого особого состояния материи, не исключено, что суперионный лед может быть обнаружен в ядре планет. Если это так, то магнитное поле, созданное водородным океаном, предполагает некоторую связь с магнитосферой, присутствующей на некоторых планетах и спутниках Солнечной системы, таких как Уран, Нептун и Европа. Поэтому понимание того, как и где возник суперионный лед, чрезвычайно полезно для разгадки тайны, скрытой в магнитных полях нашей Вселенной. Нельзя исключать, что другие далекие миры могут обладать подобными магнитными характеристиками.
По этой причине важность данного исследования выделяется и в астрофизике. Наличие магнитосферы необходимо для защиты поверхности планеты от вредного излучения, исходящего от звезды, вокруг которой она расположена. Естественный щит, который сделает новые миры менее враждебными для жизни. Если магнитосфера, таким образом, зависит от наличия суперионного льда, то это новое состояние воды станет важнейшим ключом к разгадке в поисках жизни во Вселенной. Об этом новом материале еще многое неизвестно. Что несомненно, так это масштаб открытий, которые мы сможем сделать, когда все его свойства будут четко определены.
Полный текст исследования, опубликован в журнале .
