Найдена уникальная форма воды, которая питает магнитные поля некоторых планет

Когда вода подвергается воздействию температур в несколько тысяч градусов Цельсия и давлению в миллионы атмосфер, она претерпевает драматическое превращение, переходя в редкое состояние — суперионную воду.

Суперионная вода — уникальная форма, в которой поведение воды не соответствуеи ни жидкости, ни твердому телу.

Источник: Freepik

В этой форме атомы кислорода образуют жесткий твердый каркас, в то время как ионы водорода свободно перемещаются сквозь эту структуру. Такое поведение не похоже ни на обычный лед, ни на жидкую воду.

Эта необычная фаза воды исключительно хорошо проводит электричество, что делает ее главным кандидатом на объяснение странных магнитных полей, которые ученые наблюдают вокруг ледяных гигантов — Урана и Нептуна. Ученые полагают, что в глубинах этих планет содержатся огромные количества воды, а значит, суперионная вода может быть преобладающей формой воды в значительной части Солнечной системы.

Физикам удавалось создавать суперионную воду в лабораторных условиях и раньше, однако ее внутренняя структура оставалась загадкой. Предыдущие работы предполагали, что атомы кислорода могут выстраиваться в один из двух простых кубических узоров. Новое исследование показало, что реальная картина гораздо сложнее.

Схематическое изображение микроскопической структуры суперионной воды, в которой атомы кислорода образуют твердую кристаллическую решетку, в то время как ионы водорода практически свободно перемещаются внутри нее. С помощью мощных лазеров это экстремальное состояние, которое в противном случае встречается только внутри крупных планет, удалось измерить экспериментально.

Источник: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Вместо единого упорядоченного паттерна атомы кислорода собираются в смешанную структуру, которая объединяет кубические области с гексагональными плотноупакованными слоями. Когда эти области сливаются, возникает широко распространенный структурный беспорядок — не чистая повторяющаяся решетка, а гибридная и нерегулярная последовательность, которую можно обнаружить только с помощью чрезвычайно точных методов измерения.

Чтобы раскрыть эти детали, ученые провели два отдельных эксперимента на мощнейших установках: инструменте MEC на рентгеновском лазере LCLS в США и инструменте HED-HIBEF на Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах. Эти установки позволили сжать воду до давления, превышающего 1,5 миллиона атмосфер, и нагреть ее до нескольких тысяч градусов, одновременно делая снимки атомной структуры за триллионные доли секунды.

Полученные данные хорошо согласуются с самыми современными компьютерными моделями и демонстрируют, что суперионная вода действительно может принимать множество структурных форм — так же, как и обычный лед, который существует во многих различных кристаллических фазах в зависимости от температуры и давления.

Ученые предполагают, что именно суперионная вода обеспечивает формирование магнитных полей ледяных гигантов, например, Нептуна.

Источник: Unsplash

Так ученые снова убедились в том, что вода — несмотря на кажущуюся простоту этого вещества — способна проявлять совершенно неожиданные и замечательные свойства в экстремальных условиях. Помимо этого, результаты нового исследования помогают уточнить модели внутреннего строения и долгосрочной эволюции ледяных гигантов — планет, которые, как считают астрономы, широко распространены во Вселенной. Так что понимание поведения воды в экстремальных условиях приближает нас к разгадке тайн далеких миров.

Ранее ученые открыли новую форму воды.