Вода кажется одной из самых обычных вещей вокруг нас. Она падает с неба, мы её пьём, моемся в ней и буквально не можем без неё существовать. Но с точки зрения физики это вещество ведёт себя на удивление странно.
При замерзании вода становится менее плотной, её поверхностное натяжение необычно велико, как и температура кипения. Более того, судя только по молекулярной массе, при комнатной температуре вода вообще могла бы быть газом.
И это при обычных земных условиях. Если же резко увеличить давление и температуру, странности только начинаются.
Теперь учёные получили одну из самых необычных форм льда: она существовала при давлении до 2,3 миллиона атмосфер и температуре до 2630 кельвинов, то есть примерно 2357 °C.
При такой температуре в обычных условиях от воды ожидали бы совсем другого поведения. Но при колоссальном давлении, подобном тому, которое существует глубоко внутри планет, привычные правила меняются.
Когда жидкая вода превращается в пар, она расширяется. Однако давление в миллионы атмосфер не позволяет ей этого сделать. В результате вода остаётся чрезвычайно плотной и способна переходить в экзотические состояния, совершенно не похожие на лёд на поверхности Земли.
Одно из них называется суперионным льдом. Это необычное состояние вещества, которое нельзя назвать ни полностью твёрдым, ни полностью жидким. Атомы кислорода образуют неподвижную кристаллическую решётку, словно в обычном твёрдом теле. А ядра водорода при этом свободно перемещаются сквозь неё, ведя себя скорее как частицы жидкости.
Известно более двадцати фаз водяного льда, и некоторые из них при экстремальных условиях становятся суперионными. Изучение этих форм важно не только из-за их необычности: предполагается, что суперионный лёд существует в глубинах Урана и Нептуна и может быть связан с формированием их необычных магнитных полей.
В новом эксперименте группа под руководством физика Алексиса Форестье из французской Комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии попыталась воспроизвести условия внутри ледяных планет-гигантов.
Крошечные образцы воды зажимали между алмазными наконечниками, создавая давление до 230 гигапаскалей — примерно в 2,3 миллиона раз выше атмосферного давления на уровне моря. Для сравнения, давление в центре Земли составляет около 360 гигапаскалей.
Одновременно воду нагревали лазерами до нескольких тысяч градусов, а происходящие с её кристаллической структурой изменения изучали с помощью очень узкого пучка синхротронного рентгеновского излучения.
Именно так исследователи обнаружили структуру, существование которой ранее предсказывали теоретически, но которую до сих пор не удавалось однозначно увидеть в эксперименте.
Атомы кислорода выстроились в так называемую гексагональную плотноупакованную структуру. При нагревании этот кристалл начал вести себя так, как ожидается от суперионного льда. По оценкам исследователей, переход в суперионное состояние происходил примерно при 1700 кельвинах.
Название новой структуры связано с тем, как именно располагаются атомы кислорода. Если представить их одинаковыми шарами, которые нужно максимально плотно уложить слоями, сделать это можно несколькими способами.
У уже известной формы суперионного льда атомы образуют гранецентрированную кубическую структуру. В новой форме слои расположены в другой последовательности.
Эксперимент показал, что одна структура, по-видимому, способна превращаться в другую по мере смещения этих слоёв — причём переход становится всё заметнее при повышении давления и температуры.
При давлении 155 гигапаскалей и температуре 2000 кельвинов рентгеновские измерения показывали смесь двух структур.
При 197 гигапаскалях и 2250 кельвинах признаки новой гексагональной структуры усилились.
А при 219 гигапаскалях и 2630 кельвинах прежняя структура почти исчезла, и новая уже явно преобладала.
Позже выяснилось, что исследователи, возможно, получали такой лёд и раньше, просто не поняли этого. Пересмотрев результаты предыдущего эксперимента, они обнаружили, что необъяснённый тогда сигнал при давлении выше 130 гигапаскалей, скорее всего, тоже принадлежал этой структуре.
Новые результаты указывают, что при давлении примерно выше 200 гигапаскалей именно гексагональная форма может становиться более устойчивым вариантом суперионного льда.
На атомном уровне разница кажется небольшой, но для понимания планет она может оказаться существенной.
Если новая форма проводит электричество иначе, чем уже известный суперионный лёд, её существование внутри Урана и Нептуна может изменить представления о движении вещества и электрических зарядов в глубинах этих планет. Именно эти процессы связывают с возникновением их необычных, сложных и несимметричных магнитных полей.
Но свойства новой формы пока практически неизвестны — её только что удалось уверенно обнаружить.
Теперь исследователям предстоит выяснить, насколько она пластична, как проводит электрический ток и при каких именно сочетаниях давления и температуры остаётся устойчивой.
Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.
