Наскоро в лабораторията за лазерна енергия в Брайтън, Ню Йорк, един от най-мощните лазери в света удари капка вода, създавайки ударна вълна, която повиши налягането в тази вода до милиони атмосфери, а температурата до хиляди градуси. Рентгеновите лъчи, преминали през тази капка в същата част от секундата, показаха на човечеството първия поглед на водата при такива екстремни условия. Те показаха, че водата вътре в ударната вълна не се превръща в прегрята течност или газ. Не, водата е замръзнала.
Парадоксално е, че водните атоми замръзват, за да образуват кристален лед. Въпреки това, както физиците очакваха, присвивайки се към екраните в съседната стая.
„Чувате изстрел и в същия момент виждате, че се е случило нещо интересно“, казва Мариус Мило от Националната лаборатория на Ливърмор. Лорънс, който проведе експеримента с Федерика Копари.
Какво се случва с водата при високо налягане и температура?
Резултатите от тази работа, публикувана тази седмица в Nature, потвърждават съществуването на „свръхионичен лед“, нова фаза на водата с причудливи свойства. За разлика от познатия лед, който се намира във фризера или на Северния полюс, суперионният лед е черен и горещ. Кубче от този лед тежи четири пъти повече от обичайното тегло. Съществуването му е за първи път предсказано преди повече от 30 години и въпреки че никога не е виждано досега, учените смятат, че може да е един от най-изобилните видове вода във Вселената.
Дори в Слънчевата система по-голямата част от водата вероятно е под формата на свръхлионен лед - в недрата на Уран и Нептун. В океаните на Земята, Европа и Енцелад има повече от течна вода. Откриването на свръхлионен лед може да разреши стари мистерии за състава на тези „ледени великани“.
Учените вече са открили осемнадесет невероятни архитектури от ледени кристали, включително шестоъгълното разположение на водни молекули в обикновен лед (Ih). След лед-I, който се предлага в две форми, Ih и Ic, останалите форми са номерирани от II до XVII в реда на отваряне. Да, „лед-9“всъщност съществува, но неговите свойства изобщо не са същите като в романа на Кърт Вонегът „Котешка люлка“.
Промоционално видео:
Суперионният лед може да претендира за мантията Лед-XVIII. Това е нов кристал, но има едно нещо в него. Всички известни по-рано водни ледове са съставени от непокътнати водни молекули, в които един кислороден атом е свързан към два водородни атома. Но сурионичният лед, както показват новите измервания, не е такъв. Той съществува във вид на сюрреалистичен крайник, наполовина твърд, наполовина течен. Отделни водни молекули се разпадат. Кислородните атоми образуват кубична решетка, но водородните атоми се разливат свободно, преминавайки като течност през твърда кислородна клетка.
Според експертите откриването на свръхоничен лед оправдава компютърните прогнози, които биха могли да помогнат на материалните физици да създадат бъдещи вещества с индивидуални свойства. А откриването на този лед изискваше ултрабързи измервания и прецизен контрол на температурата и налягането, което стана възможно само с подобряването на експерименталните методи.
Физикът Ливия Бове от Националния център за научни изследвания във Франция смята, че тъй като водните молекули се разпадат, това не е точно нова фаза на водата. "Това е ново състояние на материята, което е доста впечатляващо."
Ледени пъзели
Физиците ловуват суперионния лед в продължение на много години - откакто примитивна компютърна симулация от Пиерфранко Демонтес през 1988 г. прогнозира, че водата ще придобие тази странна, почти метална форма, ако бъде избутана извън картата на известните ледени фази.
Моделирането показа, че при силно налягане и топлина водните молекули се унищожават. Кислородните атоми са хванати в кубична решетка и "водородът започва да скача от една позиция в кристала в друга, отново и отново", казва Мило. Тези скокове между решетъчните места са толкова бързи, че водородните атоми - които йонизират, като по същество стават положително заредени протони - се държат като течност.
Предполага се, че сурионичният лед ще води електричество като метал, а водородът ще действа като електрони. Наличието на тези свободни водородни атоми също ще увеличи разстройството на леда, неговата ентропия. От своя страна увеличението на ентропията ще направи леда по-стабилен от другите видове ледени кристали, в резултат на което точката му на топене ще се повиши.
Лесно е да си представим всичко това, трудно е да повярвате. Първите модели използваха опростена физика, преминавайки през квантовата природа на реалните молекули. По-късните симулации добавиха още квантови ефекти, но все пак заобиколиха действителните уравнения, необходими за описание на взаимодействието на множество квантови тела, което е твърде трудно да се изчисли. Вместо това те разчитаха на приближения, което увеличи вероятността целият този сценарий да се окаже мираж в симулацията. Междувременно експериментите не можеха да създадат необходимото налягане и да генерират достатъчно топлина, за да се разтопи това силно вещество.
И когато всички вече се бяха отказали от това начинание, планетарните учени изразиха собствените си подозрения, че водата може да има суперионна фаза на лед. Приблизително в същото време, когато тази фаза беше първоначално предвидена, сондата Вояджър 2 влезе във външната Слънчева система и откри нещо странно в магнитните полета на ледените гиганти Уран и Нептун.
Полетата около други планети в Слънчевата система изглежда са съставени от добре дефинирани северен и южен полюс, без особена друга структура. Изглежда, че съдържат пръчкови магнити, подравнени с осите на въртене. Планетолозите свързват това с „динамосите“: вътрешни региони, където проводимите течности се издигат и се въртят, докато планетата се върти, създавайки огромни магнитни полета.
За разлика от тях магнитните полета, излъчвани от Уран и Нептун, изглеждаха по-тромави и сложни, с повече от два полюса. Те също не се приведеха в близост до въртенето на своите планети. Един от начините за това е да се ограничи по някакъв начин проводящата течност, отговорна за динамото, само до тънка външна обвивка на планетата, вместо да й позволи да проникне в ядрото.
Но идеята, че тези планети могат да имат солидни ядра, които не могат да генерират динамо, не изглежда реалистична. Ако пробиете тези ледени гиганти, бихте очаквали първо да срещнете слой йонна вода, която да тече, да провежда течения и да участва в динамо. Изглежда, че дори по-дълбок материал, дори при по-високи температури, също ще бъде течен, но това е наивно. Планетарните учени се шегуват, че червата на Уран и Нептун изобщо не могат да бъдат твърди. Но се оказа, че могат.
Взрив лед
Копари, Мило и екипът им сложиха парчетата на пъзела.
В по-ранен експеримент, публикуван през февруари 2018 г., физиците са получили косвени доказателства за съществуването на свръхоничен лед. Те изстискаха капка вода със стайна температура между заострените краища на два изрязани диаманта. Когато налягането се повиши до около гигапаскал, което е около 10 пъти повече, отколкото на дъното на Марианския трев, водата се превърна в тетрагонален кристал, лед-VI. При 2 гигапаскала той се прелива в лед-VII, по-плътна, кубична форма, прозрачна с просто око, която наскоро учените откриха, че има и в малки джобове вътре в естествени диаманти.
След това, използвайки OMEGA лазер в Лазерната енергийна лаборатория, Мило и неговите колеги, насочени към Ice-VII, все още са заснети между диамантените наковални. Когато лазерът удари повърхността на диаманта, той изпари материала нагоре, като по същество хвърли диаманта в обратна посока и изпрати ударна вълна през леда. Екипът на Мило установил, че сгъстеният лед се стопява на около 4700 градуса по Целзий, както се очаква за свръхлионен лед, и че той провежда електричество чрез движението на заредени протони.
След като бяха потвърдени прогнозите за обемните свойства на свръхвисовия лед, ново проучване на Копари и Мило трябваше да потвърди неговата структура. Ако искате да потвърдите кристалната природа, имате нужда от рентгенова дифракция.
Новият им експеримент пропусна лед VI и лед VII. Вместо това екипът просто разбива водата между диамантените наковалници с лазерни снимки. Милиарди секунди по-късно, когато ударните вълни проникнаха и водата започна да кристализира в нанометрови кубчета лед, учените добавиха още 16 лазерни лъча, за да изпарят тънко парче желязо до пробата. Получената плазма залива кристализиращата вода с рентгенови лъчи, които след това се дифракционират от ледените кристали и позволяват на екипа да различи структурата им.
Атомите във водата са се пренаредили в отдавна предвидената, но никога не виждана архитектура, лед-XVIII: кубична решетка с кислородни атоми на всеки ъгъл и в центъра на всяко лице.
И този вид успешна кръстосана проверка както на симулациите, така и на истинския свръхоничен лед предполага, че скоро може да бъде постигната окончателната „мечта“на изследователите на физическата материя. „Кажете ми от какви свойства на материала са ви необходими, отиваме до компютър и теоретично установяваме от какъв материал и от каква кристална структура се нуждаете“, казва Реймънд Джалозе, учен от Калифорнийския университет в Бъркли.
Новият анализ също така намеква, че докато свръхвисовият лед води до някакво електричество, той е хлабав, но твърд. Постепенно ще се разпространи, но няма да тече. По този начин течните слоеве вътре в Уран и Нептун могат да спрат на около 8000 километра навътре във вътрешността, където ще започне огромна мантия от нестабилен свръхоничен лед. Това ограничава повечето динамово действие на по-малки дълбочини, предвид необичайните полета на планетите.
Други планети и луни в Слънчевата система вероятно нямат вътрешните температури и налягания, които биха позволили да съществува суперионно лед. Но множеството екзопланети с размерите на ледените гиганти предполагат, че това вещество - свръхвисочен лед, ще бъде разпространено в ледените светове в цялата галактика.
Разбира се, никоя планета няма да съдържа вода сама. Ледените гиганти в нашата Слънчева система също са смесени с метан и амоняк. Степента, в която суперионното поведение всъщност намира място в природата "ще зависи от това дали съществуват тези фази, когато смесим водата с други материали", казват учените. Въпреки това трябва да съществува и суперионен амоняк.
Експериментите продължават. Мислите ли, че един ден ще разберем какво е в центъра на най-големите тела в нашата Слънчева система?
Иля Кел