Подпишитесь на нас в Google
В мире, в котором мы эволюционировали, вода – самое распространенное и очевидное вещество. Она покрывает 71 процент нашей планеты, хотя составляет лишь 1/4400 общей массы Земли. Тело взрослого человека на 55, а то и на 60 процентов состоит из воды, что дает около 38–42 литров.
Вода – универсальный растворитель для земной жизни. Космос тоже полон воды: мы найдем ее в кометном льду, звездообразующих облаках или атмосферах экзопланет. Однако если посмотреть на воду исключительно как на жидкость, она ведет себя совершенно не так, как большинство других жидкостей, пишет National Geographic Polska.
Когда вода замерзает, ее плотность уменьшается. У нее удивительно высокое поверхностное натяжение. Температура кипения тоже необычно высока. А учитывая ее молекулярную массу, при комнатной температуре она должна была бы быть газом. Оказывается, однако, что достаточно немного изменить давление и температуру, и своеобразное поведение воды становится еще более необычным.
Исключительно странная жидкость
Ученые из французских и европейских исследовательских институтов недавно продемонстрировали одну из самых странных из известных на сегодня форм льда. Форму, образующуюся под давлением, достигающим 2,3 миллиона атмосфер, и при огромной температуре, доходящей до 2630 кельвинов (2357°C).
Чтобы лучше это понять, можно сказать, что она образуется под давлением более чем в 2000 раз выше того, что царит на дне Марианской впадины. Это также 64% давления, царящего в самом центре нашей планеты. А температура в 2630 кельвинов – это почти половина той, что существует на поверхности Солнца.
Вполне интуитивно мы бы ожидали, что при высокой температуре вода должна просто превратиться в газ, а то и частично распасться на образующие ее атомы кислорода и водорода.
Однако при астрономических давлениях, встречающихся глубоко внутри планет, происходит нечто интересное.
Остановленное расширение
Когда вода переходит из жидкого состояния в газообразное, то есть в пар, она увеличивает свой объем. Под сокрушительным давлением в миллионы атмосфер такое расширение останавливается.
В такой ситуации вода может оставаться необычайно плотной и принимать экзотические формы, совершенно не похожие на лед, встречающийся на поверхности Земли.
Одна из таких форм – суперионный лед. Этим термином мы обозначаем чрезвычайно своеобразное состояние вещества, которое не является ни полностью твердым, ни полностью жидким.
Атомы кислорода остаются неподвижными в жесткой кристаллической решётке, как в твердом теле. Тогда как ядра водорода становятся подвижными и перемещаются через эту решетку скорее подобно частицам в жидкости. Однако достаточно небольшого изменения физических условий, чтобы атомы кислорода во льду образовали отдельные кристаллические фазы.
Мы уже знаем более двадцати таких разновидностей водяного льда, и часть из них в экстремальных условиях переходит в так называемое суперионное состояние. Исследователи постоянно открывают новые.
Под ледяной корой Урана и Нептуна
Добавим, что суперионный лед, вероятно, находится глубоко внутри ледяных гигантов, то есть Урана и Нептуна. Нетипичная природа суперионного льда может влиять на возникновение своеобразных магнитных полей обеих этих планет.
Команда под руководством физика Алексиса Форестье из французской Комиссии по альтернативной энергии и атомной энергии провела эксперименты, в которых небольшие образцы воды подвергались условиям, близким к тем, что царят внутри ледяных гигантов.
Материал сжимали между лезвиями из алмазов вплоть до давления в 230 гигапаскалей, то есть в 2,3 миллиона раз больше земного атмосферного давления на уровне моря, одновременно нагревая образцы лазерами до температур порядка тысяч градусов.
Изменения в кристаллической структуре льда отслеживали с помощью чрезвычайно точного пучка рентгеновского излучения из синхротрона. Он выявил структуру, ранее предсказанную лишь теоретически, но никогда не подтверждённую экспериментально, а именно лед с гексагональной плотной упаковкой (hcp).
То, как кристалл hcp расширялся при нагревании, указывало на признаки, типичные для суперионного состояния, что предполагает, что этот переход происходил при температуре, близкой к 1700 кельвинам.
Название структуры относится к способу расположения атомов кислорода – подобно тому, как при укладке одинаковых шариков слоями существует несколько способов их максимально плотной упаковки.
Ранее известная разновидность суперионного льда имела гранецентрированную кубическую структуру (fcc), тогда как новооткрытый лед hcp отличается порядком расположения последующих слоёв.
Пока знания о свойствах льда hcp весьма ограничены, поскольку этот материал был открыт совсем недавно. Ученые предлагают дальнейшие теоретические работы, которые позволили бы лучше изучить его механические свойства (например, пластичность) и электропроводность.
А также новые эксперименты, которые позволили бы точно определить диапазон давлений и температур, в которых структура hcp остаётся стабильной по отношению к fcc.
Ранее УНИАН сообщал, что США запустили в космос полмиллиарда иголок, чтобы проверить одну гипотезу.
