Учени пресъздадоха структурата на леда, образуван в центъра на планети като Нептун и Уран. Слой от „горещ“ електропроводим лед може да е причината за образуването на магнитни полета на планетите ледени гиганти.

Нова работа на екип от Института Карнеги и Университета в Чикаг е извършена в Advanced Photon Source (APS) - научно съоръжение - високоенергиен източник на рентгенова светлина на Министерството на енергетиката на САЩ (DOE). Техните открития са публикувани в Nature Physics.

Както всички знаят водните молекули се състоят от два водородни атома и един кислороден атом – Н₂0. В зависимост от условията, при които съществува водата, се променят, организацията и свойствата на тези молекули се променят. Знаем за лед, течност и пара - но водородните връзки са много гъвкави. Това означава, че ледът може да съществува в поразително разнообразие от различни структури - най-малко 18 известни форми. Сега учените добавиха нова фаза към списъка: суперйонен лед.

Този тип лед се образува при изключително високи температури и налягания, като тези дълбоко в планети като Нептун и Уран.

Тази нова фаза на водата е с причудливи свойства. За разлика от познатия лед във фризера или на Северния полюс, суперйонният лед е черен и горещ. Един кубче от него тежи четири пъти повече от обикновения лед. 

При суперйонния лед традиционните връзки на водната молекула се изместват, позволявайки на водородните молекули да плават свободно в кислородната решетка. Тази мобилност прави леда способен да провежда електричество почти толкова добре, колкото метал. 

За първи път е предсказан теоретично преди повече от 30 години и въпреки че никога не е виждан досега, учените смятат, че може да е сред най-разпространените форми на вода във Вселената.

В цялата Слънчева система вероятно съществува повече вода като суперйонен лед - изпълващ вътрешностите на Уран и Нептун - отколкото във всяка друга фаза, включително течната форма, плискаща се в океаните на Земята, Европа и Енцелад. Откриването на суперйонен лед потенциално решава десетилетни загадки относно състава на тези светове на „ледените гиганти“.

Преди суперйонният лед е забелязан само за кратък миг, когато учените изпращат ударна вълна през капчица вода. Наблюденията на този горещ, суперйонен лед, създаден лабораторно, довеждат до противоречиви резултати и много разногласия относно точните условия, при които се появяват новите свойства.

Но в новото проучване, публикувано в Nature Physics, учените откриват начин за надеждно създаване, поддържане и изследване на леда.

„Беше изненада – всички смятаха, че тази фаза няма да се появи без много по-високо налягане, отколкото това, където го открихме за първи път“, разказва съавторът на изследването Виталий Пракапенка (Vitali Prakapenka), професор в Чикагския университет и учен в Advanced Photon в Националната лаборатория на Аргон на DOE. „Но успяхме да очертаем много точно свойствата на този нов лед, който представлява нова фаза на материята, благодарение на няколко мощни инструмента.

Ние, хората можем да надникнем назад във времето до началото на Вселената - и до най-малките частици, които съставляват цялата материя - но все още не разбираме какво точно се крие дълбоко в Земята, камо ли вътре в другите планети в нашата слънчева система. Учените са копали само около 12 км под земната повърхност, преди оборудването да започне да се топи поради екстремната топлина и налягане. При тези условия скалата се държи по-скоро като пластмаса и структурите на дори основни молекули като водата започват да се изместват.

"Успяхме много точно да картографираме свойствата на този нов лед, който представлява нова фаза на материята, благодарение на няколко мощни инструмента", разказва Виталий Пракапенка.

Тъй като не можем да се стигне до тези места физически, учените трябва да пресъздадат условията на екстремна топлина и налягане лабораторно,.

Пракапенка и колегите му използват APS, мощен ускорител, който задвижва електроните до изключително високи скорости, близки до скоростта на светлината, за да генерират ярки снопове рентгенови лъчи. Те притискат своите проби между две парчета диамант - най-твърдото вещество на Земята - за да симулират интензивните налягания и след това изстрелват лазери през диамантите, за да нагреят пробата. Накрая те изпращат лъч рентгенови лъчи през пробата и установяват каква е подредбата на атомите вътре въз основа на това как рентгеновите лъчи се разсейват от пробата.

Когато за първи път провеждат експериментите, показанията на структурата изненадва учените, която е много по-различна, отколкото очакват.

„Но когато изключих лазера и пробата се върна до стайна температура, ледът се върна в първоначалното си състояние“, разказва Виталий Пракапенка. „Това означава, че това е обратима, структурна промяна, а не химическа реакция.

Разглеждайки структурата на леда, екипът осъзнава, че това е нова фаза. Те успяват да картографират прецизно неговата структура и свойства.

„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 в своите позиции. Това е нещо като твърда кислородна решетка, разположена в океан от плаващи водородни атоми".

Това има последствия за това как се държи ледът - той става по-малко плътен, но значително по-тъмен, защото взаимодейства по различен начин със светлината. Но пълният набор от химични и физични свойства на суперйонния лед тепърва ще бъде проучен. „Това е ново състояние на материята, така че по същество действа като нов материал и може да е различно от това, което си мислехме“, каза Пракапенка.

Констатациите са изненадващи, тъй като макар учените-теоретици да са предсказали тази фаза, според повечето модели тя няма да се появи, докато водата не бъде компресирана до повече от 50 гигапаскала налягане (приблизително същото като условията в ракетното гориво, когато то експлодира за излитане). Но експериментите на екипа на Пракапенка са само с 20 гигапаскала. 

Но картографирането на точните условия, при които възникват различни фази на леда, наред с други неща, е важна информция за формирането на планетите и дори къде да търсим живот на други планети. Учените смятат, че подобни условия съществуват във вътрешността на Нептун и Уран и други студени, скалисти планети като тях другаде във Вселената.

Свойствата на този лед играят роля в магнитните полета за една планета, които оказват огромно влияние върху способността й да приютява живот: мощните магнитни полета на Земята ни предпазват от вредното лъчение на космическите лъчи, но повърхностите на планетите с никакви или слаби магнитни полета като Марс и Меркурий са  безплодни. Познаването на условията, които влияят върху образуването на магнитно поле, може да ръководи учените, докато търсят звезди и планети в други слънчеви системи, които могат да приютят живот.

Справка: 

Prakapenka, V.B., Holtgrewe, N., Lobanov, S.S. et al. Structure and properties of two superionic ice phases. Nat. Phys. (2021). https://doi.org/10.1038/s41567-021-01351-8

Източници: 

Scientists find strange black ​‘superionic ice’ that could exist inside other planets, LOUISE LERNER, Advanced Photon Source

Scientists find strange black ​‘superionic ice’ that could exist inside other planets
DOE/ARGONNE NATIONAL LABORATORY

Black, Hot Ice May Be Nature’s Most Common Form of Water, quanta magazine