Невероятная физика: ученые создали ионный лед при температуре свыше 2000 °C

Французские физики из комиссии по атомной и альтернативной энергетике сжали частицу воды между двумя алмазными наковальнями и нагрели до температуры свыше 2000°C, в результате чего образовалась новая экзотическая форма льда.

Размещение воды между алмазными наковальнями увеличило давление в миллионы раз, а затем исследователи нагрели её лазером до более чем 2000°C. Вода не испарилась. Вместо этого атомы кислорода образовали кристаллическую структуру, которую учёные уже давно предсказывали, но никогда не наблюдали в воде. Под таким высоким давлением вода оказалась заключенной в экзотическую форму твёрдого льда, несмотря на температуру, превышающую температуру плавления железа.

Эта недавно обнаруженная экзотическая форма, получившая название гексагонального плотноупакованного льда (hcp), становилась всё более преобладающей по мере увеличения давления и температуры. При температуре около 2357°C и давлении 219 ГПа структура hcp-льда доминировала в рентгеновском сигнале. Исследователи называют этот тип льда “суперионным”.

Новое исследование предполагает, что эта форма суперионного льда может существовать глубоко в недрах Урана и Нептуна. Суперионный лёд мало похож на обычный. Атомы кислорода в нём образуют кристаллическую решётку, тогда как ионы водорода свободно движутся в ней, подобно частицам в жидкости. Это движение позволяет переносить электрические заряды.

Это состояние предсказывали ещё 30 лет назад, однако экспериментально его подтвердили только в 2018 году. Год спустя исследователи использовали наносекундную рентгеновскую дифракцию для непосредственного анализа атомной структуры.

Алексис Форестье из Французской комиссии по атомной и альтернативной энергии вместе с коллегами использовали алмазные наковальни, окружив воду лазерпоглощающим алмазом, легированным бором, и исследовали с помощью рентгеновского луча диаметром менее микрометра. Исследования проводились в Европейском центре синхротронного излучения. При максимальных значениях давления толщина воды достигала всего 12 мкм.

При более низком давлении суперионная структура по-прежнему сосуществовала с новой обнаруженной формой. Однако с повышением давления новая структура начинала доминировать. Изменилась не ключевая химия воды, а расположение атомов кислорода. Перестройка чрезвычайно незначительна, однако может определять более стабильную форму суперионного льда.

Этот переход не происходил мгновенно. Исследователи обнаружили признаки того, что одна структура постепенно превращалась в другую в результате смещения слоев. Разнообразно расположенные одни и те же атомы могут вести себя совершенно по-разному, в том числе в отношении теплопроводности, электропроводности и перемещения ионов водорода.

“Вояджер-2” позволил установить, что Уран и Нептун обладают магнитными полями, которые значительно отличаются от упорядоченного диполя Земли. Поля этих планет сильно наклонены и очень асимметричны относительно оси вращения. Долгое время существующие модели предполагали, что эти необычные магнитные поля могут генерироваться электрическими токами в относительно тонком проводящем слое внутри планет.

Если недра этих планет содержат гексагонально плотноупакованный лёд, его свойства могут отличаться от традиционной кубической формы и изменять движение других частиц и электрических зарядов. В дальнейшем исследователи планируют точно определить, при каких условиях эта гексагональная структура наиболее стабильна и что происходит с электрическим током, когда через него проходят ионы водорода.

Результаты исследования опубликованы в arXiv

Источник: ZMEScience