Твердый и жидкий одновременно
Ученые впервые обнаружили новую кристаллическую структуру суперионного льда — необычного состояния воды, которое, предположительно, существует глубоко внутри Урана и Нептуна. Открытие поможет точнее понять строение этих планет и процессы, связанные с их необычными магнитными полями.
Суперионный лед совсем не похож на обычный лед. При огромном давлении и высокой температуре атомы кислорода образуют твердую кристаллическую решетку, а ядра водорода могут свободно перемещаться внутри нее. Поэтому вещество одновременно обладает свойствами твердого тела и жидкости и хорошо проводит электрический ток.
Чтобы получить суперионный лед в лаборатории, группа под руководством Алексиса Форестье из французского Комиссариата по альтернативной и атомной энергетике поместила микроскопические образцы воды между двумя алмазами. Такая установка позволила создать давление до 230 ГПа — более чем в два миллиона раз выше атмосферного давления на Земле. Образцы одновременно нагревали лазерами до температуры выше 1800 К — примерно 1527 °C.
Получившееся вещество исследовали с помощью рентгеновского излучения на Европейском центре синхротронного излучения. Оказалось, что при давлении выше 200 ГПа и температуре около 1800 К атомы кислорода выстраиваются в гексагональную плотноупакованную решетку.
Ранее считалось, что в таких условиях суперионный лед имеет другую структуру — гранецентрированную кубическую. Новые эксперименты показали, что при дальнейшем повышении давления вещество перестраивается и переходит из кубической фазы в гексагональную.
Это важно для изучения Урана и Нептуна. Предполагается, что значительная часть глубоких слоев этих планет может находиться в суперионном состоянии. При этом разные кристаллические структуры обладают разными электрическими и механическими свойствами, поэтому переход между ними способен влиять на процессы, происходящие внутри планет.
Особый интерес представляет влияние суперионного льда на магнитные поля Урана и Нептуна. Они сильно отличаются от земного и имеют необычную геометрию. Поскольку суперионный лед хорошо проводит электричество, он может участвовать в формировании этих магнитных полей.