Физики впервые экспериментально подтвердили существование экзотической формы воды, которая ведет себя принципиально иначе, чем привычный лед. Об этом сообщает РБК-Украина со ссылкой на исследование, опубликованное в специализированном научном вестнике Physical Review Letters. Ученые описали новую фазу льда, в которой вода при экстремальных условиях давления и температуры приобретает аномальные свойства и переходит в так называемое суперионное состояние — гибридную форму вещества, сочетающую черты твердого тела и жидкости.

Как физики «зажали» воду между алмазами

Чтобы воссоздать условия, царящие в недрах планет-гигантов, исследователи сжали микроскопические капли воды между концами сверхпрочных алмазов и параллельно разогрели их лазерами. Давление в эксперименте достигало 230 гигапаскалей — это около 2,3 миллиона атмосфер; для сравнения, давление в центре Земли составляет примерно 360 гигапаскалей. Образцы нагревали вплоть до 2 357 °C, при этом на начальных этапах фазовых переходов фиксировалась температура около 1 427 °C, а при формировании основных фаз — до 1 977 °C. Структуру образующегося льда анализировали с помощью узкого пучка рентгеновского излучения.

Гибрид твердого тела и жидкости

В обычных условиях вода при высоких температурах испаряется и расширяется. Однако при колоссальном давлении такое расширение становится невозможным, и вещество переходит в суперионное состояние. Это гибридная фаза, которая одновременно обладает свойствами твердого тела и жидкости: ионы кислорода сохраняют упорядоченную кристаллическую решетку, а протоны (ионы водорода) свободно перемещаются внутри нее, подобно частицам в жидкости. Именно это сочетание и делает новую форму воды аномальной с точки зрения классической физики.

Гексагональная фаза вытесняет кубическую

Ключевым результатом работы стало обнаружение новой гексагональной модификации льда (hcp). При давлении свыше 200 гигапаскалей именно эта гексагональная форма стала основной и термодинамически стабильной, вытеснив ранее известную кубическую модификацию (fcc). Ученые также зафиксировали, что новая фаза начинает переходить в суперионное состояние уже при температуре около 1 427 °C, что существенно ниже, чем ожидалось для аналогичных переходов в других модификациях льда.

Что это значит для Урана и Нептуна

Открытие имеет прямое значение для понимания внутреннего строения ледяных гигантов. Считается, что именно суперионный лед составляет значительную часть недр Урана и Нептуна. Если новая гексагональная фаза проводит электрический ток и деформируется иначе, чем ранее известные формы льда, ученым придется пересмотреть действующие модели движения вещества и электрических зарядов внутри этих планет. Именно эти внутренние процессы отвечают за формирование характерных асимметричных и хаотичных магнитных полей ледяных гигантов.

Что дальше

В настоящее время авторы исследования призывают теоретиков провести дополнительные расчеты, чтобы детально изучить электрические и механические свойства вновь открытой фазы. Только после этого станет ясно, насколько существенно новая гексагональная модификация изменит современные представления о физике планет-гигантов и о поведении воды в экстремальных условиях, недоступных в земных лабораториях.