Учені створили «дивний» чорний гарячий лід. Це новий вид матерії, яка може існувати всередині планет

У цьому сенсі вода — справжній подарунок для дослідників. І не тому, що вона забезпечує нам життя, а тому, що, залежно від умов, вода може утворювати 20 різних структур залежно від температури та тиску.

Американські вчені створили в лабораторії нову та загадкову форму води — суперіонний лід. Свою роботу вони описали у статті в журналі Nature Physics.

Дослідники намагалися відтворити суперіонний лід уже давно — його існування теоретично було передбачене понад 30 років тому за допомогою моделювання, яке провела команда фізиків під керівництвом П'єрфранко Демонтіса. Тоді вчені показали, що молекули води можуть «розламуватися» через екстремальний тиск і температури.

Усі раніше створені форми водяного льоду формуються з цілих молекул води. Однак у випадку із суперіонним льодом усе працює інакше, не так, як ми звикли.

На відміну від звичного нам льоду, який утворюється внаслідок заморожування рідкої води, суперіонний лід чорний і гарячий. Кубик такого льоду важитиме вчетверо більше, ніж кубик звичайного.

Деякі дослідники впевнені, що насправді саме така форма води набагато поширеніша в природі, ніж рідка, до якої ми звикли на Землі. Суперіонний лід існує в надрах Урана та Нептуна, проте вчені припускають, що таку воду можна буде виявити і на екзопланетах.

Ученим і раніше вдавалося відтворити подібну структуру, проте вона трималася лише 20 наносекунд, після чого вода випаровувалася. Проте команда фізиків під керівництвом Віталія Пракапенка з університету Чикаго зуміла не тільки створити суперіонний лід, а й підтримувати його існування, щоб досліджувати його докладніше.

Багато вчених називають цей стан «найдивнішою» формою льоду, оскільки атоми кисню залишаються зафіксованими на одному місці, як у твердому тілі, а атоми водню стають іонами — атомними ядрами, позбавленими своїх електронів, які вільно течуть через лід подібно до рідини.

Комп’ютерне моделювання суперіонного льоду. Сірим кольором показано іони водню, які «перетікають» усередині кубічної ґратки синіх іонів кисню

Щоб отримати суперіонний лід, учені використовували прискорювач частинок, який розганяє електрони практично до швидкості світла, щоб генерували рентгенівське випромінювання. Сама крапля води була затиснута між двома алмазами, які створювали тиск у 3,5 млн разів більший за атмосферний тиск Землі.

Після цього дослідники за допомогою одного з найпотужніших лазерів у світі моментально розігрівали краплю до температури, що перевищує температуру поверхні Сонця. Наприкінці вони «просвічують»отриману структуру пучками рентгенівського випромінювання, щоб зафіксувати положення атомів за тим, як розсіюються рентгенівські промені біля льоду.

Нарешті, вони посилають пучок рентгенівських променів через зразок і збирають докупи розташування атомів усередині залежно від того, як рентгенівські промені розсіюються від зразка.

Спочатку команді здалося, що внаслідок помилки сталася небажана хімічна реакція, яка часто трапляється з водою у таких експериментах. Однак коли структура охолола до кімнатної температури, вона повернулася до свого вихідного рідкого стану. Це означало, що це оборотні структурні зміни, а не помилка.

«Уявіть собі куб — ґратку з атомами кисню по кутах, які з'єднані воднем. Коли він трансформується в новий суперіонний стан, ґратка розширюється, дозволяючи атомам водню переміщатися, коли атоми кисню залишаються на своїх місцях. Це щось на зразок кисневої ґратки, поміщеної в океан із водню», — пояснює Пракапенка.

Дослідники зуміли отримати суперіонну кригу на триваліший період часу. Тепер лік ішов не на наносекунди, а на мікросекунди, що дозволило вченим точно відобразити різні фазові переходи краплі води, коли вона трансформувалася в суперіонний лід. Сама структура набуває чорного кольору через атоми водню, які блокують проходження світла крізь лід.

Учені планують і надалі досліджувати суперіонний лід, аби краще зрозуміти його властивості, а також визначити, у яких умовах він може з’являтися поза лабораторіями та спеціальним обладнанням. Також вони планують зрозуміти, наскільки він здатний до провідності.

Суперіонний лід може відігравати важливу роль в індукції магнітосфер планет, які захищають їхні поверхні від сонячного випромінювання та космічних променів. Це допоможе планетологам краще розуміти процеси планетоутворення, а також, можливо, одного разу підкаже, де вони можуть шукати життя. Крім того, учені зможуть краще визначати властивості оболонок планет, зокрема, крижаних гігантів.