Ледът може да обясни мистериозните магнитни полета, принадлежащи на ледените светове. Учени притиснаха водна капчица между два диаманта и след това я взривиха с един от най-мощните лазери в света, за да достигне до температури, характерни за звездите. Резултатът е нова и мистериозна фаза на водата.
Наричана суперйонен лед, странната черна вода съществува при същите налягания и температури като тези в центъра на Земята – факт, който скоро може да помогне на изследователите да проучат тайните, погребани в ядрата на други светове.
Преди това изследователите използваха ударни вълни, за да създадат този странен лед само за 20 наносекунди, преди да се разтвори. Този нов експеримент бележи първия път, когато учените са създали стабилен суперйонен лед, който издържа достатъчно дълго, за да бъде проучен в детайли. Изследователите публикуваха своите открития през октомври в списание Nature Physics.
„Беше изненада – всички мислеха, че тази фаза няма да се появи, докато не е под много по-високо налягане от мястото, където я открихме за първи път“, казва съавторът на изследването Виталий Пракапенка, геофизик от Чикагския университет и учен в Националната лаборатория в Аргон.
Течност, пара и лед са най-често срещаните фази на водата, но водните молекули могат да се утаят и в други подреждания, които представляват различни фази. Всъщност учените са идентифицирали 20 фази на воден лед – различните начини, по които свързаните водородни и кислородни атоми могат да се натрупват при различни температури и налягания.
Например, лед VI и лед VII имат молекули, които се подреждат съответно в правоъгълни призми или кубчета. Ледът XI се обръща, ако е поставен в електрическо поле, а ледът XIX е крехък и само водородните му атоми образуват редовен модел, пише Live Science.
Свръхгорещият и под високо налягане суперйонен лед е 18-тата фаза на леда и е една от най-странните досега. Това е така, защото кислородните му атоми се заключват на място, както биха били в твърдо вещество, но водородните му атоми, след като изоставят своите електрони, се превръщат в йони – атомни ядра, лишени от електроните си и следователно положително заредени – които са свободни да текат през леда, сякаш са течност.
„Представете си куб, решетка с кислородни атоми в ъглите, свързани с водород“, каза Пракапенка. „Когато се трансформира в тази нова суперйонна фаза, решетката се разширява, позволявайки на водородните атоми да мигрират наоколо, докато кислородните атоми остават стабилни на своите позиции. Това е нещо като твърда кислородна решетка, разположена в океан от плаващи водородни атоми.“
Тези плуващи водородни атоми блокират преминаването на светлината през леда, придавайки черния му вид.
Група, ръководена от професора по химия от университета в Сасари, Пиерфранко Демонтис, за първи път теоретизира съществуването на суперйонен лед през 1988 г., а изследователи от Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор в Калифорния откриха първите доказателства за това през 2018 г.
Чрез взривяване на водна капчица с ударна вълна под високо налягане, генерирана от лазер, изследователите постигнаха температурите и наляганията, необходими за моментално появяване на суперйонен лед – и дори измериха електрическата проводимост на леда и видяха структурата му за няколко наносекунди (милиардни от секундата) преди суперйонният лед да се стопи.
За да направят по-подробни измервания, Пракапенка и колегите му трябваше да създадат леда в по-стабилна форма. Така те изстискаха водната си капчица с 0,2-каратова диамантена наковалня и я взривиха с лазер. Твърдостта на диамантите позволява на наковалнята да натисне капката до 3,5 милиона пъти атмосферното налягане на Земята и лазерът я нагрява до температури, по-горещи от повърхността на слънцето. След това, с устройство за ускоряване на електрони, наречено синхротрон, екипът пусна рентгенови лъчи към капката. Чрез измерване на интензитета и ъглите на рентгеновите лъчи, които са разпръснати от атомите вътре в леда, изследователите идентифицират структурата на суперйонния лед.
Този метод даде на изследователите по-дълъг период от време – в диапазон от микросекунда (милионна част от секундата), за да наблюдават леда си, отколкото експериментът с ударна вълна. Това допълнително време означаваше, че те могат точно да начертаят различните фазови преходи на водната капчица, докато тя се превръща в суперйонен лед.
По-нататъшното проучване може да помогне на учените да разберат по-добре свойствата на леда и да картографират условията, при които в природата възникват различни ледени фази. Тъй като свободно плаващите водородни йони могат да създадат магнитно поле, изследователите се чудят дали суперйонните ледове са заровени в ядрата на планети като Нептун и Уран, или са хванати в капан в замръзналите морета на спътника на Юпитер Европа, която има ледена кора. Ако е така, ледовете биха могли да играят ключова роля в индукцията на магнитосферите, които заобикалят тези светове, или извънземни светове извън нашата слънчева система. Тъй като магнитосферите от своя страна са отговорни за защитата на планетите от вредна слънчева радиация и космически лъчи, знанието как и къде се образуват суперйонни ледови форми може да се превърне в изключително полезно ръководство за учени, търсещи извънземен живот.
Засега има много повече свойства на новия лед за изследване, включително неговата проводимост, вискозитет и химическа стабилност – решаваща информация за прогнозиране къде другаде може да се образува странният лед.
„Това е ново състояние на материята, така че по същество действа като нов материал и може да е различно от това, което си мислехме“, казва Пракапенка.
