Шалена фізика: вчені створили іонний лід за температури понад 2000°C

Французькі фізики з комісії з атомної та альтернативних джерел енергії стиснули частинку води між двома алмазними ковадлами й нагріли до понад 2000°C, утворивши нову екзотичну форму льоду.

Розміщення води між алмазними ковадлами збільшило тиск в мільйони разів, а потім дослідники нагріли її лазером до понад 2000°C. Вода не випаровувалась. Замість цього атоми кисню утворили кристалічну структуру, яку науковці вже давно передбачали, але ніколи не спостерігали у води. Під таким високим тиском вода виявилась замкненою в екзотичні формі твердого льоду попри температуру, що перевищує точку плавлення заліза.

Ця нещодавно виявлена екзотична форма льоду, яка отримала назву гексагонального щільноупакованого льоду (hcp) дедалі більше переважала зі збільшенням тиску та температури. За близько 2357°C та 219 ГПа структура hcp-льоду домінувала у рентгенівському сигналі. Дослідники називають цей тип льоду “суперіонним”.

Нове дослідження передбачає, що ця нова форма суперіонного льоду може існувати глибоко у надрах Урану та Нептуну. Суперіонний лід мало схожий на звичайний. Атоми кисню у ньому утворюють кристалічну ґратку, тоді як іони водню вільно рухаються у ній подібно до частинок у рідині. Цей рух дозволяє переносити електричні заряди.

Цей стан передбачали ще 30 років тому, однак експериментально його підтвердили лише у 2018 році. Рік потому дослідники використали наносекундну рентгенівську дифракцію для безпосереднього аналізу атомної структури.

Алексис Форестьє з Французької комісії з атомної та альтернативних джерел енергії разом з колегами використали алмазні ковадла, оточивши воду лазеропоглинаючим алмазом, легованим бором й досліджували з допомогою рентгенівського променя діаметром менше мікрометра. Дослідження проводились в Європейському центрі синхротронного випромінювання. За найвищих значень тиску вода завширшки сягала усього 12 мкм.

За нижчого тиску суперіонна структура все ще співіснувала з новою виявленою формою. Однак з підвищенням тиску нова структура починала домінувати. Змінилась не ключова хімія води, а розміщення атомів кисню. Перебудова надзвичайно мала, однак може визначити стабільнішу форму суперіонного льоду.

Цей перехід не відбувався миттєво. Дослідники виявили ознаки того, що одна структура поступово перетворювалась на іншу внаслідок зміщення шарів. По різному розміщені одні й ті самі атоми можуть поводитись абсолютно по різному, включно з теплопровідністю, електропровідністю й переміщенням іонів водню.

“Вояджер 2” дозволив встановити, що Уран та Нептун мають магнітні поля, які значно відрізняються від впорядкованого диполя Землі. Поля цих планет сильно нахилені й дуже асиметричні відносно вісі обертання. Тривалий час наявні моделі передбачали, що ці незвичайні магнітні поля можуть генеруватись електричними струмами у відносно тонкому провідному шарі всередині планет.

Якщо надра цих планет містять гексагонально щільноупакований лід, його властивості можуть відрізнятись від традиційної кубічної форми й змінювати рух інших частинок та електричних зарядів. Надалі дослідники планують точно визначити, за яких умов ця гексагональна структура найстабільніша й що відбувається з електричним струмом, коли через нього проходять іони водню.

Результати дослідження опубліковані в arXiv

Джерело: ZMEScience