Вода под давлением, в миллионы раз превышающим земное, ведет себя совсем не так, как привычная нам H2O.
При давлении, в миллионы раз превышающем атмосферное давление на Земле, вода перестает вести себя как привычная нам H2O. В экстремальных условиях, характерных для глубоких недр планет-ледяных гигантов, ученые смогли получить самое четкое на сегодняшний день изображение "суперионного льда".
Это название описывает странное состояние вещества, при котором атомы кислорода фиксируются в кристаллической решетке, в то время как атомы водорода свободно текут, подобно жидкости. Это необычное состояние можно сравнить с молекулярной тюрьмой, где прутья решетки твердые, но заключенные бегают внутри совершенно свободно, пишет StudyFinds.
Используя самые мощные в мире рентгеновськие лазеры, исследователи сжали образцы воды до давления 180 гигапаскалей (почти в 1,8 миллиона раз больше земного атмосферного давления), одновременно нагревая их до тысяч градусов. В этих экстремальных условиях команда наблюдала то, что теоретики предсказывали, но никогда не видели ясно: атомы кислорода не выстраиваются в простую, упорядоченную схему. Вместо этого они образуют запутанную структуру, смешивающую два разных порядка расположения, постоянно переключаясь туда и обратно, словно кристалл, который "не может принять решение".
Уран и Нептун, вероятно, содержат огромные океаны такой суперионной воды глубоко в своих недрах. Несмотря на название "ледяные гиганты", эти планеты состоят не из обычного льда. Чудовищные давление и температуры сжимают воду в это странное суперионное состояние. Именно оно может объяснить некоторые загадочные особенности этих далеких миров, включая их наклоненные, смещенные относительно центра магнитные поля, которые не совпадают с осью вращения планет.
Предыдущие эксперименты давали противоречивые результаты. Одни команды сообщали, что видят одну кристаллическую структуру при определенных условиях, другие наблюдали совершенно иные структуры при схожих давлении и температуре. Эта путаница сохранялась годами.
Последние измерения, опубликованные в журнале Nature Communications, могут, наконец, разгадать эту тайну. Синхронизировав сверхбыстрые рентгеновские импульсы с лазерным ударным сжатием, команда зафиксировала дифракционные картины с гораздо лучшим разрешением, чем при ранних попытках. Рентгеновские импульсы длились всего 50 фемтосекунд (если растянуть фемтосекунду до одной секунды, то обычная секунда длилась бы 32 миллиона лет). Эти измерения фактически "заморозили" структуру воды до того, как она успела измениться.
При умеренных давлениях (ниже 120 гигапаскалей) эксперименты выявили две разные кристаллические структуры, существующие бок о бок. Некоторые исследователи предполагали, что причиной могут быть перепады температур, но новые данные указывают на нечто более интересное: оба варианта расположения настолько близки по энергии, что вода действительно "не может выбрать" один из них.
Компьютерное моделирование предсказывало такое поведение. В этих условиях энергетические затраты на формирование любой из структур почти идентичны, поэтому молекулы воды кристаллизуются в тот узор, который случайно складывается локально.
Когда давление поднимается выше 150 гигапаскалей, одна структура начинает доминировать. Однако есть нюанс. Примерно от 25 до 32 процентов слоев укладываются в иной последовательности, создавая беспорядок, вплетенный в кристалл. Моделирование с использованием машинного обучения, обученное на квантовых расчетах поведения воды, выдало практически идентичные паттерны тем, что измерили в эксперименте.
Это подтверждает: неупорядоченная структура реальна, а не является побочным эффектом метода сжатия образцов.
Чтобы перевести воду в такие экстремальные состояния, потребовалось зажать тонкие слои воды (примерно половина толщины человеческого волоса) между алмазными окнами. Мощные лазерные импульсы ударяли по алмазу, генерируя ударные волны, которые отражались туда и обратно, сжимая воду ступенчато, а не мгновенно. Каждый эксперимент длился всего наносекунды и уничтожал мишень, поэтому команда повторяла процесс множество раз для проверки результатов.
При самых низких из изученных давлений (около 25–50 гигапаскалей) они обнаружили более простые и упорядоченные ледяные структуры. Но по мере роста давления возникали смешанные, хаотичные паттерны.
Является ли этот "беспорядок укладки" постоянным или временным, пока неизвестно. Подобные дефекты появляются в обычном льду, который формируется быстро, а затем постепенно реорганизуется. Если дефекты в суперионном льду временные, они могут не сильно влиять на недра планет.
Но если они стабильны, это может изменить то, как тепло и электричество проходят через материал, что имеет решающее значение для магнитных полей.
Поток заряженных ионов водорода через кислородную решетку генерирует магнитные поля посредством так называемого "эффекта динамо". Любая структурная особенность, которая направляет или блокирует этот поток, может изменить силу и форму поля. Ученые предлагали различные объяснения того, почему у Урана и Нептуна такие странные магнитные поля, и внутренняя структура суперионной воды может быть частью ответа.
Вода кажется простой (всего два атома водорода, связанных с кислородом), но она образует по меньшей мере 19 различных видов льда в зависимости от давления и температуры. Добавьте сюда суперионные варианты и этот недавно обнаруженный "беспорядок", и вода начинает выглядеть не как базовое вещество, а как нечто, полное нераскрытых тайн.
Ранее УНИАН сообщал, что таяние ледников высвобождает скрытую угрозу, о которой никто не думал. Хотя рядовые обыватели привыкли считать, что устойчивые к антибиотикам "супербактерии" – это проблема нашего времени, на самом деле все не так просто.
Кроме того, мы также рассказывали о том, что китайский зонд собрал на Луне "неправильный" грунт. Теперь исследователи из Китая нашли этому достаточно простое и логичное объяснение.