Фізики вперше експериментально підтвердили існування екзотичної форми води, яка поводить себе принципово інакше, ніж звичний лід. Про це повідомляє РБК-Україна з посиланням на дослідження, опубліковане у спеціалізованому науковому віснику Physical Review Letters. Вчені описали нову фазу льоду, у якій вода за екстремальних умов тиску та температури набуває аномальних властивостей і переходить у так званий суперіонний стан — гібридну форму речовини, що поєднує риси твердого тіла та рідини.

Як фізики «зажали» воду між діамантами

Щоб відтворити умови, що панують у надрах планет-гігантів, дослідники стиснули мікроскопічні краплі води між кінцями надміцних діамантів і паралельно нагріли їх лазерами. Тиск у експерименті досягав 230 гігапаскалів — це близько 2,3 мільйона атмосфер; для порівняння, тиск у центрі Землі становить приблизно 360 гігапаскалів. Зразки нагрівали аж до 2 357 °C, при цьому на початкових етапах фазових переходів фіксувалася температура близько 1 427 °C, а при формуванні основних фаз — до 1 977 °C. Структуру утворюваного льоду аналізували за допомогою вузького пучка рентгенівського випромінювання.

Гібрид твердого тіла та рідини

У звичайних умовах вода за високих температур випаровується і розширюється. Однак за колосальним тиском таке розширення стає неможливим, і речовина переходить у суперіонний стан. Це гібридна фаза, яка водночас має властивості твердого тіла та рідини: іони кисню зберігають впорядковану кристалічну ґратку, а протони (іони водню) вільно переміщуються всередині неї, подібно до частинок у рідині. Саме це поєднання робить нову форму води аномальною з погляду класичної фізики.

Гексагональна фаза витісняє кубічну

Ключовим результатом роботи стало виявлення нової гексагональної модифікації льоду (hcp). За тиску понад 200 гігапаскалів саме ця гексагональна форма стала основною та термодинамічно стабільною, витіснивши раніше відому кубічну модифікацію (fcc). Вчені також зафіксували, що нова фаза починає переходити у суперіонний стан уже за температури близько 1 427 °C, що суттєво нижче, ніж очікувалося для аналогічних переходів в інших модифікаціях льоду.

Що це означає для Урана та Нептуна

Відкриття має пряме значення для розуміння внутрішньої будови льодових гігантів. Вважається, що саме суперіонний лід складає значну частину надр Урана та Нептуна. Якщо нова гексагональна фаза проводить електричний струм і деформується інакше, ніж раніше відомі форми льоду, вченим доведеться переглянути чинні моделі руху речовини та електричних зарядів всередині цих планет. Саме ці внутрішні процеси відповідають за формування характерних асиметричних і хаотичних магнітних полів льодових гігантів.

Що далі

Наразі автори дослідження закликають теоретиків провести додаткові розрахунки, щоб детально вивчити електричні та механічні властивості щойно відкритої фази. Лише після цього стане зрозуміло, наскільки суттєво нова гексагональна модифікація змінить сучасні уявлення про фізику планет-гігантів і про поведінку води в екстремальних умовах, недоступних у земних лабораторіях.