Ученым удалось очень сильно сжать каплю воды между двумя алмазами, а затем и взорвать ее с помощью одного из самых мощных лазеров в мире. Высвободившаяся температура была сопоставима со звездной. Результатом эксперимента стало новое и загадочное состояние материи. Эта странная «черная вода» получила название «суперионный лед» — он существует при тех же давлениях и температурах, что и в центре Земли. Это открытие вскоре может помочь исследователям разгадать секреты, скрытые в ядрах других экзопланет.
Суперионный лед удавалось создать и раньше. Для его образования использовались ударные волны. Однако получившийся материал был крайне нестабильным и рассыпался через 20 наносекунд. Новый эксперимент знаменует собой первый случай в истории науки, когда ученым удалось создать стабильный суперионный лед, который держался достаточно долго, чтобы его можно было подробно изучить. Исследователи опубликовали свои выводы в журнале Nature Physics.
Жидкость, пар и лед являются наиболее распространенными фазами воды. Однако ученым известно 20 фаз водяного льда. Например, у льда фазы VI и VII есть молекулы, которые образуют прямоугольные призмы или кубы соответственно. Лед в фазе XI переворачивается, если он помещен в электрическое поле, а лед XIX является хрупким.
Сверхгорячий, находящийся под высоким давлением, суперионный лед — это XVIII открытая фаза льда, одна из самых странных на сегодняшний день. Его атомы кислорода фиксируются в кристаллической решетке, как в твердом теле. Но атомы водорода, отдавая свои электроны, становятся ионами — атомными ядрами, лишенными своих электронов и, следовательно, положительно заряженными, которые могут свободно протекать сквозь лед, как если бы они были жидкостью. Более того, «плавающие» атомы водорода блокируют прохождение света сквозь лед, придавая ему черный цвет.
Как был получен суперионный лед
Группа под руководством профессора химии Университета Сассари Пьерфранко Демонтиса впервые предположила существование суперионного льда в 1988 году. А исследователи из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии обнаружили первые доказательства этого в 2018 году. Новое состояние льда было получено путем взрыва капли воды ударной волной высокого давления, генерируемой лазером. Однако 20 наносекунд было недостаточно для того, чтобы подробно изучить лед.
Чтобы провести более детальные измерения, геофизикам нужно было создать материал в более стабильной форме. Поэтому они сжали каплю воды алмазной наковальней весом 0,2 карата и взорвали ее лазером. Твердость алмазов позволила наковальне создать давление, которое в 3,5 миллиона раз превышало атмосферное, а лазер нагрел ее до температур, превышающих температуру поверхности Солнца. Затем с помощью устройства для ускорения электронов, называемого синхротроном, команда направила рентгеновские лучи на каплю. Измеряя интенсивность и углы рентгеновских лучей, рассеиваемых атомами внутри льда, исследователи определили его структуру.
Дальнейшие эксперименты могут помочь ученым лучше понять свойства льда и составить карту условий, при которых в природе встречаются различные его фазы. Исследователи задаются вопросом, погребены ли суперионные льды в ядрах ледяных гигантов, таких как Нептун и Уран, или в замороженных морях спутника Юпитера Европы. Если это так, то льды могут играть ключевую роль в индукции магнитосфер, окружающих эти миры, или далеких экзопланет за пределами нашей Солнечной системы.
