Водата е едно от най-разпространените и жизненоважни вещества в нашето всекидневие.
Животът ни буквално би бил невъзможен без свойствата ѝ на почти универсален разтворител. Тя пада от небето. Къпем се в нея, пием я и се потапяме в нея за удоволствие.
Дори когато я разглеждаме единствено като течност обаче, водата е изключително странна и се държи по начин, който противоречи на поведението на повечето други течности. При замръзване плътността ѝ намалява. Повърхностното ѝ напрежение е необичайно високо, както и температурата ѝ на кипене. А ако съдим единствено по молекулната ѝ маса, при стайна температура тя би трябвало да бъде газ.
И всичко това се отнася за обичайните условия на Земята.
Променим ли налягането и температурата, необикновеното поведение на водата става още по-крайно.
Лед при налягане от 2,3 милиона атмосфери
Сега учени демонстрираха съществуването на една от най-странните форми на лед, откривани досега. Тя се образува при смайващо налягане, достигащо 2,3 милиона атмосфери, и температура до 2630 келвина (2357 градуса по Целзий, или 4274 градуса по Фаренхайт).
При подобна температура обикновено бихме очаквали водата със сигурност да бъде в газообразно състояние и дори отчасти да се е разпаднала на съставните си кислородни и водородни атоми. При колосалното налягане, което съществува дълбоко в недрата на планетите, обаче се случва нещо любопитно.
Когато преминава от течно в газообразно състояние, водата се разширява. Под смазващото налягане от милиони атмосфери това разширяване е възпрепятствано. Така водата може да остане изключително плътна и да придобие екзотични форми, които не приличат на никой от видовете лед, срещани на земната повърхност.
Нито напълно твърд, нито напълно течен
Една от тези форми е суперйонният лед – крайно необичайно състояние на материята, което не е нито напълно твърдо, нито напълно течно. Кислородните атоми остават неподвижни в твърда кристална решетка, както при обикновено твърдо вещество. Водородните ядра обаче се движат свободно през нея, подобно на частиците в течност.
При малко по-различни условия разположението на кислородните атоми се променя и те образуват различни конфигурации, известни като фази. Познати са над двайсет фази на водния лед, като някои от тях преминават в суперйонно състояние при екстремни условия. Учените продължават да търсят и други.
Тези изследвания не са просто опит да бъде задоволено научното любопитство. Предполага се, че суперйонен лед съществува дълбоко в недрата на ледените гиганти Уран и Нептун, където необичайните му свойства може да участват в създаването на също толкова необикновените магнитни полета на двете планети.
Своеобразният „танц“ на кислорода и водорода в суперйонния лед. (Източник: Goran tek-en/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0)
Как учените пресъздават условията в недрата на планетите
В новите експерименти екип, ръководен от физика Алексис Форестие от Френската комисия за алтернативна енергия и атомна енергия, подлага миниатюрни проби вода на екстремните условия, които се очаква да съществуват във вътрешността на ледените планети гиганти.
Учените притискат пробите между върховете на две диамантени наковални, създавайки налягане до 230 гигапаскала, и едновременно с това ги нагряват с лазери до няколко хиляди градуса. Това налягане е 2,3 милиона пъти по-високо от атмосферното на морското равнище. За сравнение, в центъра на Земята то достига приблизително 360 гигапаскала.
След това изследователите насочват към пробите изключително тесен сноп синхротронни рентгенови лъчи, за да проследят промените в кристалната структура на леда.
Така те откриват конфигурация, предсказана от теорията, но никога досега недвусмислено наблюдавана при експеримент: хексагонално плътно пакетирана структура, или hcp лед. При нагряването разширяването на hcp кристала също проявява характерен признак на суперйонно поведение. Това подсказва, че той е преминал в суперйонно състояние при температура около 1700 келвина.
Наименованието описва начина, по който са разположени кислородните атоми. Представете си, че подреждате еднакви топки на пластове. Съществуват няколко начина тези пластове да бъдат наредени така, че топките да прилягат възможно най-плътно една до друга.
Две кристални структури на суперйонния лед
Една от вече познатите форми на суперйонен лед има лицевоцентрирана кубична структура, или fcc. При новооткрития hcp лед пластовете са подредени в различна последователност. Изследователите откриват доказателства, че едната структура може да преминава в другата, когато пластовете променят положението си.
Изглежда, че тази трансформация настъпва с повишаването на налягането и температурата. Предишни експерименти вече показаха, че водният лед може да остане в твърдо състояние при температури, по-високи от тези на повърхността на Слънцето.
Условията, при които изследователите наблюдават новата hcp фаза на леда (запълнените триъгълници и кръгове), показват появата ѝ при екстремно налягане и високи температури. (Forestier et al., Phys. Rev. Lett., 2026)
При налягане от 155 гигапаскала и температура 2000 келвина рентгеновото изследване отчита смес от fcc и hcp структури.
Когато налягането е увеличено до 197 гигапаскала, а температурата – до 2250 келвина, сигналът от hcp структурата става по-отчетлив от този на fcc структурата.
При последната комбинация от условия – 219 гигапаскала и 2630 келвина – сигналът от fcc структурата почти изчезва, докато hcp структурата вече очевидно преобладава.
Откритие, скрито в по-стари данни
Любопитното е, че това може да не е първият случай, в който изследователите са създали hcp лед.
Когато преглеждат данните от по-ранен експеримент, те осъзнават, че неидентифициран дотогава пик в рентгеновата дифракция, регистриран при налягане над 130 гигапаскала, вероятно е бил следа от hcp лед. Тогава учените просто не са го разпознали.
Резултатите показват, че при налягане над приблизително 200 гигапаскала hcp структурата може да се превърне в по-стабилната форма на суперйонния лед.
Промяната изглежда сравнително малка – все пак става дума за разместване в атомен мащаб. Разликата обаче може да има огромно значение за разбирането ни за Слънчевата система.
Какво означава откритието за Уран и Нептун
Ако hcp ледът провежда електричеството по различен начин от fcc леда, присъствието му дълбоко в Уран и Нептун може да промени моделите, описващи движението на материята и електрическите заряди в недрата на тези планети. Смята се, че именно подобни процеси участват в образуването на техните странни, несиметрични и силно наклонени магнитни полета.
Съществуването на непознати състояния на материята в Слънчевата система може да наложи сериозни промени в представите ни за физичните процеси в недрата на далечните планети. Други изследвания дори допускат, че вътрешността на Уран и Нептун може да съдържа различни суперйонни материали, които влияят върху преноса на топлина и електрически заряд.
Засега обаче свойствата на hcp леда остават неизвестни – тази форма е открита едва сега. Изследователите призовават за допълнителна теоретична работа, която да разкрие нейните характеристики, и по-специално механичната ѝ пластичност и електропроводимостта ѝ.
Ще бъдат необходими и още експерименти, за да се установи с точност в кои области на екстремно налягане и висока температура hcp ледът остава стабилен в сравнение със своя fcc аналог.
Водата е наистина странна, а суперйонният лед – още повече. Учените едва са започнали да разкриват на какво е способна тази необикновена молекула. В известен смисъл изглежда напълно уместно, че именно от нея зависи животът ни.
Запази хладнокръвие, вода. Или пък не. Както ти харесва.
Резултатите са публикувани в научното списание Physical Review Letters.
