Ученые открыли новую фазу воды

http://perevodika.ru/upload/medialibrary/77b/фаза.jpg

@iammoteh for Quanta Magazine

Черный, горячий лед может быть самой распространенной формой воды в природе

Новый эксперимент подтверждает существование «суперионного льда», причудливой формы воды, которая может занимать большую часть гигантских ледяных планет по всей вселенной.

Недавно в Лаборатории лазерной энергетики в Брайтоне, штат Нью-Йорк, один из самых мощных в мире лазеров создал ударную волну, которая подняла давление воды до миллионов атмосфер, а ее температуру – до тысяч градусов, с помощью капельки воды. Рентгеновские лучи, проходящие через капельку в ту же долю секунды, открыли человечеству первое представление о воде в этих экстремальных условиях.

Рентген показал, что вода внутри ударной волны не превратилась в перегретую жидкость или газ. Как это ни парадоксально, но, как и ожидали физики, атомы замерзли, образовав кристаллический лед.

«Вы слышите выстрел», – сказал Мариус Милло из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии, и «вы сразу же понимаете, что произошло что-то интересное». Милло выступил соавтором эксперимента с Федерикой Коппари, также из Лоуренса Ливермора.

Результаты, опубликованные сегодня в Nature, подтверждают существование «суперионного льда», новой фазы воды с причудливыми свойствами. В отличие от обычного льда с северного полюса, суперионный лед – черный и горячий. Он весит в четыре раза больше обычного. Впервые о нем заговорили 30 лет назад, и, хотя до сих пор его никто не видел, ученые считают, что суперионный лед может быть одной из самых распространенных форм воды во Вселенной.

Во всей Солнечной системе вода, вероятно, больше представлена в фазе суперионного льда, заполняющего внутреннюю часть Урана и Нептуна, чем в любой другой фазе (например, в жидкой форме океанов Земли, Европы и Энцелада). Открытие суперионного льда может решить загадки состава «ледяных гигантов».

Вместе с шестиугольным расположением молекул воды обычного льда (лед I_h), ученые также обнаружили изумительные 18 архитектур ледяного кристалла. После льда I, который представлен в двух формах, I_h  и I_c, остальные нумеруются с II по XVII в порядке их открытия.

Суперионный лед теперь может претендовать на мантию льда XVIII. Это новый кристалл, но с изюминкой. Все известные ранее водяные льды состоят из неповрежденных молекул воды, каждая из которых имеет один атом кислорода, связанный с двумя атомами водорода. Но суперионный лед, как подтверждают новые измерения, не такой. Он существует своего рода в сюрреалистической неопределенности, частично твердой, частично жидкой. Отдельные молекулы воды распадаются на части. Атомы кислорода образуют кубическую решетку, но атомы водорода движутся свободно, протекая, как жидкость, через жесткую клетку кислорода.

Эксперты говорят, что открытие суперионного льда подтверждает компьютерные прогнозы, которые могли бы помочь физикам создавать вещества с индивидуальными свойствами. А само открытие льда потребовало сверхбыстрых измерений, точного контроля температуры и давления, совершенствования экспериментальных методов. «Все это было бы невозможно, скажем, пять лет назад», – сказал Кристоф Зальцманн из Лондонского университетского колледжа, открывший льды XIII, XIV и XV.

Поскольку молекулы воды суперионного льда распадаются, сказала физик Ливия Бове из Национального центра научных исследований Франции, это не совсем новая фаза воды. «Это действительно новое состояние материи, – сказала она, – что довольно впечатляюще».

Загадки льда

Физики охотились за суперионным льдом с тех пор, как примитивное компьютерное моделирование под руководством Пьерфранко Демонтиса в 1988 году предсказало, что вода примет эту странную, почти металлическую форму.

Моделирование показало, что под сильным давлением и теплом молекулы воды разрушаются. С атомами кислорода, запертыми в кубической решетке, «водород начинает прыгать из одного положения в другое, снова и снова», – сказал Милло. Скачки между узлами решетки настолько быстрые, что кажется, что атомы водорода движутся как жидкость.

Предполагалось, что суперионный лед будет проводить электричество, как металл, водород будет играть обычную роль электронов. Свободные атомы водорода усилили бы неупорядоченность льда или энтропию. В свою очередь, это сделало бы лед более стабильным, чем другие виды ледяных кристаллов, в результате чего его точка плавления взлетела бы вверх.

Но все это было бы легко представить, но этому трудно поверить. Первые модели использовали упрощенную физику, пробираясь сквозь квантовую природу реальных молекул. Более поздние симуляции работали с квантовыми эффектами, но все же уклонялись от фактических уравнений. Эксперименты не могли создать необходимое давление.

Однако, примерно в то время, когда впервые заговорили о суперионной ледяной фазе, зонд Voyager 2 отправился во внешнюю Солнечную систему и нашел что-то странное в магнитных полях ледяных гигантов Урана и Нептуна.

Поля вокруг других планет Солнечной системы, по-видимому, состоят из северного и южного полюсов, без особой другой структуры. Это похоже на то, как если бы в их центрах были только магниты, выровненные по осям вращения. Ученые-планетологи связывают это с «динамо»: внутренними областями, где проводящие жидкости поднимаются и вращаются при вращении планеты, создавая огромные магнитные поля.

Напротив, магнитные поля Урана и Нептуна, выглядели более громоздкими и более сложными, с большим количеством полюсов. Они не выровнены по отношению вращения своих планет. Один из способов добиться этого состоит в том, чтобы каким-то образом ограничить проводящую жидкость, ответственную за динамо, тонкой внешней оболочкой планеты, вместо того, чтобы позволить ей проникнуть внутрь ядра.

Но идея того, что эти планеты могут иметь твердые ядра, которые не способны генерировать динамо, не казалась реалистичной. Если бы вы пробурили эти ледяные гиганты, то можно было бы ожидать, что вы сначала столкнетесь со слоем ионной воды, которая будет течь, проводить потоки и участвовать в динамо.

Эксперименты

Теперь, наконец, Коппари, Милло и их команда собрали кусочки головоломки вместе.

В более раннем эксперименте, опубликованном в феврале прошлого года, физики нашли косвенные доказательства существования суперионного льда. Они сжимали каплю воды комнатной температуры между заостренными концами двух ограненных бриллиантов. К тому времени, когда давление поднялось примерно до гигапаскаля, примерно в 10 раз больше, чем на дне Марианской впадины, вода превратилась в четырехугольный кристалл, называемый льдом VI. Около 2 гигапаскалей она превратилась в лед VII, более плотную, кубическую форму, прозрачную для невооруженного глаза, которая, как недавно обнаружили ученые, также существует внутри природных алмазов.

Затем, используя лазер OMEGA в Лаборатории лазерной энергетики, Милло и его коллеги работали со льдом VII. Команда Милло обнаружила, что их лед растаял при температуре около 4700 градусов по Цельсию, и что он проводил электричество благодаря движению заряженных протонов.

Далее новое исследование под руководством Коппари и Милло сделало следующий шаг. «Если вы действительно хотите доказать, что что-то является кристаллическим, тогда вам нужны рентгеновские лучи», – сказал Зальцманн.

Команда просто разбила воду лазером. Спустя миллиардные доли секунды, вода начинала кристаллизоваться в кубики льда нанометрового размера, ученые использовали еще 16 лазерных лучей, чтобы испарить тонкий кусок железа рядом с образцом. В результате команда смогла различить структуру.

Атомы в воде перестроились в давно предсказанную, но никогда ранее не виденную архитектуру, лед XVIII: кубическую решетку с атомами кислорода на каждом углу и в центре каждой грани. «Это настоящий прорыв», – сказал Коппари.

Все это предполагает, что «мечта» физиков может скоро исполниться. «Вы скажете мне, какие вам нужны свойства материала, и мы пойдем к компьютеру и выясним, какой материал и какая кристаллическая структура вам понадобятся», – сказал Раймонд Джанлоз, член исследовательской группы.

Новый анализ также намекает на то, что, хотя суперионный лед действительно проводит некоторое электричество, он является мягким твердым веществом. Таким образом, внутри Урана и Нептуна слои жидкости могут остановиться примерно на 8000 километров вниз по планете, где начинается огромная мантия суперионного льда.

Другие планеты и луны в Солнечной системе, вероятно, не обладают подходящей температурой и давлением, чтобы создать суперионный лед. Но многие экзопланеты размером с ледяной гигант, возможно, могут создать такие условия. Мы можем предположить, что это вещество может часто встречаться в ледяных мирах по всей галактике.