Вода під тиском, що в мільйони разів перевищує земний, поводиться зовсім не так, як звична нам H2O.
При тиску, що в мільйони разів перевищує атмосферний тиск на Землі, вода перестає поводитися як звична нам H2O. В екстремальних умовах, характерних для глибоких надр планет-крижаних гігантів, вчені змогли отримати найчіткіше на сьогоднішній день зображення "суперіонного льоду".
Ця назва описує дивний стан речовини, при якому атоми кисню фіксуються в кристалічній решітці, в той час як атоми водню вільно течуть, подібно до рідини. Цей незвичайний стан можна порівняти з молекулярною в'язницею, де прути решітки тверді, але ув'язнені бігають всередині абсолютно вільно, пише StudyFinds.
Використовуючи найпотужніші в світі рентгенівські лазери, дослідники стиснули зразки води до тиску 180 гігапаскалів (майже в 1,8 мільйона разів більше земного атмосферного тиску), одночасно нагріваючи їх до тисяч градусів. У цих екстремальних умовах команда спостерігала те, що теоретики передбачали, але ніколи не бачили чітко: атоми кисню не вибудовуються в просту, впорядковану схему. Замість цього вони утворюють заплутану структуру, що змішує два різних порядки розташування, постійно перемикаючись туди і назад, немов кристал, який "не може прийняти рішення".
Уран і Нептун, ймовірно, містять величезні океани такої суперйонної води глибоко в своїх надрах. Незважаючи на назву "крижані гіганти", ці планети складаються не зі звичайного льоду. Жахливі тиск і температури стискають воду в цей дивний суперіонний стан. Саме він може пояснити деякі загадкові особливості цих далеких світів, включаючи їх нахилені, зміщені відносно центру магнітні поля, які не збігаються з віссю обертання планет.
Попередні експерименти давали суперечливі результати. Одні команди повідомляли, що бачать одну кристалічну структуру за певних умов, інші спостерігали зовсім інші структури за схожих тиску і температури. Ця плутанина зберігалася роками.
Останні вимірювання, опубліковані в журналі Nature Communications, можуть, нарешті, розгадати цю таємницю. Синхронізувавши надшвидкі рентгенівські імпульси з лазерним ударним стисненням, команда зафіксувала дифракційні картини з набагато кращою роздільною здатністю, ніж при ранніх спробах. Рентгенівські імпульси тривали всього 50 фемтосекунд (якщо розтягнути фемтосекунду до однієї секунди, то звичайна секунда тривала б 32 мільйони років). Ці вимірювання фактично "заморозили" структуру води до того, як вона встигла змінитися.
При помірних тисках (нижче 120 гігапаскалів) експерименти виявили дві різні кристалічні структури, що існують пліч-о-пліч. Деякі дослідники припускали, що причиною можуть бути перепади температур, але нові дані вказують на щось більш цікаве: обидва варіанти розташування настільки близькі за енергією, що вода дійсно "не може вибрати" один з них.
Комп'ютерне моделювання передбачало таку поведінку. У цих умовах енергетичні витрати на формування будь-якої зі структур майже ідентичні, тому молекули води кристалізуються в той візерунок, який випадково складається локально.
Коли тиск піднімається вище 150 гігапаскалів, одна структура починає домінувати. Однак є нюанс. Приблизно від 25 до 32 відсотків шарів укладаються в іншій послідовності, створюючи безлад, вплетений в кристал. Моделювання з використанням машинного навчання, навчене на квантових розрахунках поведінки води, видало практично ідентичні патерни тим, що виміряли в експерименті.
Це підтверджує: невпорядкована структура реальна, а не є побічним ефектом методу стиснення зразків.
Щоб перевести воду в такі екстремальні стани, потрібно було затиснути тонкі шари води (приблизно половина товщини людської волосини) між алмазними вікнами. Потужні лазерні імпульси ударяли по алмазу, генеруючи ударні хвилі, які відбивалися туди і назад, стискаючи воду ступінчасто, а не миттєво. Кожен експеримент тривав всього наносекунди і знищував мішень, тому команда повторювала процес безліч разів для перевірки результатів.
При найнижчих з вивчених тисків (близько 25-50 гігапаскалів) вони виявили більш прості і впорядковані крижані структури. Але в міру зростання тиску виникали змішані, хаотичні патерни.
Чи є цей "безлад укладання" постійним або тимчасовим, поки невідомо. Подібні дефекти з'являються в звичайному льоді, який формується швидко, а потім поступово реорганізується. Якщо дефекти в суперионному льоді тимчасові, вони можуть не сильно впливати на надра планет.
Але якщо вони стабільні, це може змінити те, як тепло і електрика проходять через матеріал, що має вирішальне значення для магнітних полів.
Потік заряджених іонів водню через кисневу решітку генерує магнітні поля за допомогою так званого "ефекту динамо". Будь-яка структурна особливість, яка направляє або блокує цей потік, може змінити силу і форму поля. Вчені пропонували різні пояснення того, чому у Урана і Нептуна такі дивні магнітні поля, і внутрішня структура суперионної води може бути частиною відповіді.
Вода здається простою (всього два атоми водню, пов'язані з киснем), але вона утворює щонайменше 19 різних видів льоду в залежності від тиску і температури. Додайте сюди суперйонні варіанти і цей нещодавно виявлений "безлад", і вода починає виглядати не як базова речовина, а як щось, повне нерозкритих таємниць.
Раніше УНІАН повідомляв, що танення льодовиків вивільняє приховану загрозу, про яку ніхто не думав. Хоча пересічні обивателі звикли вважати, що стійкі до антибіотиків "супербактерії" – це проблема нашого часу, насправді все не так просто.
Крім того, ми також розповідали про те, що китайський зонд зібрав на Місяці "неправильний" ґрунт. Тепер дослідники з Китаю знайшли цьому досить просте і логічне пояснення.