ezgif-1-f89a08db27.jpg
Фотография с большой выдержкой, на которой запечатлен процесс получения суперионного льда при помощи лазерных импульсов

Он твердый и жидкий одновременно, он в 60 раз плотнее обычного водяного льда, и образуется при температурах, сравнимых с таковыми на поверхности Солнца. Это — суперионный лед, и ученые впервые смогли сделать его в лаборатории.

Все это звучит удивительно, ведь все мы привыкли к тому, что водяной лед только один — в него превращается вода, будучи охлажденной ниже 0 градусов по Цельсию. Однако даже в обычных условиях на Земле существуют два типа льда: первый — это привычный нам гексагональный (то есть атомы находятся на вершинах шестиугольников) кристаллический лед, который мы видим каждую зиму.

Но при сверхнизких температурах, ниже -123 градусов по Цельсию, получается кубический кристаллический лед — в нем атомы кислорода расположены как в кристаллической решетке алмаза. При температурах ниже -73 градусов он превращается в обычный гексагональный лед. На Земле нужные для его образования температуры можно встретить лишь очень высоко в атмосфере, поэтому доля такого льда крайне мала.

Но это — лишь самые простые разновидности водяного льда. На данный момент ученым известно больше 20 его видов — с ромбической и тетрагональными кристаллическими решетками, с плотностями до 1.16 г/см3 — то есть даже выше, чем у воды: да-да, такой лед будет в ней тонуть. Но все эти разновидности объединяет одно — для их получения нужны гигантские давления в сотни и тысячи мегапаскалей (тысячи и десятки тысяч атмосфер) и крайне низкие температуры, вплоть до -196 градусов.

Поэтому получение льда при температуре выше несколько тысяч градусов раньше казалось фантастикой. Долгое время предполагалось, что такой лед может существовать на Уране или Нептуне, но до последнего времени его существование было лишь теоретическим.

«Наша работа дала экспериментальные данные для суперионного льда и показала, что полученные результаты не были вызваны артефактами в симуляциях, а фактически подтвердили экстраординарное поведение воды в этих условиях», — сказал Мариус Миллот, физик из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в Калифорнии, являющийся автором нового исследования.

ezgif-1-4418dc8f0b.jpg
Визуализации компьютерного моделирования, показывающая атомы водорода (фиолетовые), текущие подобно жидкости внутри твердой решетки кислорода (зеленые) в суперионном льду

Ученые впервые предсказали существование странной фазы льда, которая делает вещество одновременно твердым и жидким одновременно, 30 лет назад. Также было понятно, что новое вещество намного плотнее, чем обычный водяной лед, потому что образуется только при сильном нагреве и большом давлении — например, в гигантских планетах. Во время суперионной фазы водород и кислород в молекулах воды ведут себя необычно: ионы водорода движутся, как жидкость, внутри твердой кристаллической решетки кислорода.

Создание такого льда было крайне сложным. Во-первых, команда сжимала воду в метастабильный кубический кристаллический лед — в одну из тех фаз, что я описывал выше. Для этого исследователи использовали алмазные наковальни, обеспечивающие давление в 2.5 гигапаскаля, что примерно в 25 000 раз превышает атмосферное давление на Земле. Затем исследователи нагревали и сжимали лед еще сильнее, используя лазерные импульсы. Каждая кристаллическая структура льда получала до шести лазерных импульсов, что более чем в 100 раз повысило давление.

«Из-за того, что мы предварительно сжимаем воду, нагрев идет медленнее, чем если бы мы использовали ударное сжатие», — сказал Миллот. Новый метод позволяет исследователям «получать доступ к более холодным состояниям при более высоких давлениях, чем в предыдущих исследованиях с использованием ударного сжатия».

Как только суперионный лед был готов, команда быстро перешла к анализу его оптических и термодинамических свойств. У них было всего 10-20 наносекунд для выполнения работы, прежде чем давление упадет и эта фаза льда разрушится. И результаты были странными: они обнаружили, что такой лед тает при температуре в 4725 градусов по Цельсию и давлении в 200 ГПа — оно примерно в 2 миллиона раз превышает атмосферное давление на Земле.

«Это... ошеломляющее, что замороженный водяной лед присутствуют при температурах в тысячи градусов внутри этих планет, но это то, что показывают эксперименты», — сказал Раймонд Жанлоз, соавтор исследования и планетарный физик из Калифорнийского университета в Беркли, в том же заявлении.

uranus-neptune-2.jpg
Уран и Нептун — планеты, в недрах которых может существовать суперионный лед

Новое исследование поможет «заглянуть внутрь» таких планет, как Уран и Нептун. Планетарные ученые предполагают, что внутри они состоят на 65% воды по массе, с некоторыми примесями аммиака и метана.

Предыдущая работа предположила, что эти планеты могут иметь «полностью жидкие» теплопередающие контуры, но добавление суперионного льда меняет картину. В новом исследовании вместо этого предлагается «относительно тонкий слой жидкости на поверхности и большая «мантия» суперионного льда», — говорят ученые в заявлении.

Эта новая картина внутреннего мира Нептуна и Урана, возможно, подтвердила бы компьютерное моделирование, выполненное десять лет назад, которое пыталось объяснить странные магнитные поля на этих планетах. Магнитное поле Урана наклонено на 59 градусов от оси планеты. Магнитные полюса Нептуна имеют примерно 47-градусный наклон. Это экстремально много по сравнению с Землей, которая имеет только 11-градусный наклон. Также их магнитные поля могут вести себя странно: например, поле Урана может включаться и выключаться как строб («мерцать»).

Более подробные исследования этих планет придется ждать до того времени, пока для этого не появится космический зонд. К счастью, в НАСА есть такой проект, однако сроки его реализации не радуют — это пара ближайших десятилетий. Между тем, экспериментаторы планируют еще больше усилить сжатие льда, чтобы сымитировать условия внутри планет-гигантов, таких как Юпитер или Сатурн.