Ученые создали «странный» черный горячий лед. Это новый вид материи, которая может существовать внутри планет

В этом смысле вода — настоящий подарок для исследователей. И не потому, что она обеспечивает нам жизнь, а потому что, в зависимости от условий, вода может образовывать 20 различных структур в зависимости от температуры и давления.

Американские ученые создали в лаборатории новую и загадочную форму воды — суперионный лед. Свою работу они описали в статье в журнале Nature Physics.

Исследователи пытались воссоздать суперионный лед уже давно — его существование теоретически было предсказано более 30 лет назад при помощи моделирования, которое провела команда физиков под руководством Пьерфранко Демонтиса. Тогда ученые показали, что молекулы воды могут «разламываться» из-за экстремальных давления и температур.

Все ранее созданные формы водяного льда состоят из целых молекул воды. Однако в случае с суперионным льдом все работает иначе, не так, как мы привыкли.

В отличии от привычного нам льда, который появляется в результате заморозки жидкой воды, суперионный лед черный и горячий. Кубик такого льда будет весить в четыре раза больше обычного.

Некоторые исследователи уверены, что на самом деле именно такая форма воды намного более распространена в природе, чем жидкая, к которой мы привыкли на Земле. Суперионный лед существует в недрах Урана и Нептуна, однако ученые предполагают, что такую воду можно будет обнаружить и на экзопланетах.

Ученым и раньше удавалось воссоздать подобную структуру, однако она держалась всего 20 наносекунд, после чего вода испарялась. Однако команда физиков под руководством Виталия Пракапенка из Чикагского университета сумела не только создать суперионный лед, но и поддерживать его существование, чтобы исследовать его подробнее.

Многие ученые называют это состояние «самой странной» формой льда, поскольку атомы кислорода остаются зафиксированными на одной месте, как в твердом теле, а атомы водорода становятся ионами — атомными ядрами, лишенными своих электронов, которые свободно текут через лед подобно жидкости.

Компьютерное моделирование суперионного льда. Серым цветом показаны ионы водорода, которые «перетекают» внутри кубической решетки синих ионов кислорода

Чтобы получить суперионный лед, ученые использовали ускоритель частиц, который разгоняет электроны практически до скорости света, чтобы те генерировали рентгеновское излучение. Сама капля воды была зажата между двумя алмазами, которые создавали давление в 3,5 млн раз больше атмосферного давления Земли.

После этого исследователи при помощи одного из самых мощных лазеров в мире моментально разогревали каплю до температуры, превышающей температуру поверхности Солнца. В конце они «просвечивают» полученную структуру пучками рентгеновского излучения, чтобы зафиксировать положение атомов по тому, как рассеиваются рентгеновские лучи возле льда.

Наконец, они посылают пучок рентгеновских лучей через образец и собирают воедино расположение атомов внутри в зависимости от того, как рентгеновские лучи рассеиваются от образца.

Поначалу команде показалось, что в результате ошибки произошла нежелательная химическая реакция, которая часто случается с водой в таких экспериментах. Однако когда структура охладилась до комнатной температуры, она вернулась в свое исходное жидкое состояние. Это означало, что это обратимые структурные изменения, а не ошибка.

«Представьте себе куб — решетку с атомами кислорода по углам, которые соединены водородом. Когда он трансформируется в новое суперионное состояние, решетка расширяется, позволяя атомам водорода перемещаться, когда атомы кислорода остаются на своих местах. Это что-то вроде кислородной решетки, которая находится в океане из водорода», — объясняет Пракапенка.

Исследователи сумели получить суперионный лед на более длительный период времени. Теперь счет шел не на наносекунды, а на микросекунды, что позволило ученым точно отобразить различные фазовые переходы капли воды, когда она трансформировалась в суперионный лед. Сама структура получается черного цвета из-за атомов водорода, которые блокируют прохождение света сквозь лед.

Ученые планируют и дальше исследовать суперионный лед, чтобы лучше понять его свойства, а также определить, в каких условиях он может появляться вне лабораторий и специального оборудования. Также они планируют понять, насколько он способен к проводимости.

Суперионный лед может играть важную роль в индукции магнитосфер планет, которые защищают их поверхности от солнечного излучения и космических лучей. Это поможет планетологам лучше понимать процессы планетообразования, а также, возможно, однажды подскажет, где они могут искать жизнь. Кроме того, ученые смогут лучше определять свойства оболочек планет — в частности, ледяных гигантов.