Вода причудливой формы возможно самой всераспространенной во Вселенной

    Не так давно в Лаборатории лазерной энергетики в Брайтоне, штат New-york, один из самых сильных лазеров во всем мире огрел в каплю жидкости, создав ударную волну, которая подняла давление в данной воде перед началом миллионов атмосфер, а уж температуру — перед началом тыщ градусов. Рентгеновские лучи, кои прошли сквозь эту каплю в ту самую же долю секунды, явили населению земли первый проблеск жидкости в этаких экстремальных критериях. Они продемонстрировали, что вода снутри ударной волны и не предстала перегретой жидкостью либо газом. Нет, вода промерзла.

    Вода причудливой формы возможно самой всераспространенной во Вселенной

    Как только это же ни феноминально, атомы жидкости промерзли, образовав кристаллический лед. Вобщем, как только и подразумевали физики, щурящиеся на экраны в примыкающей комнате.

    «Вы слышите выстрел и в этот же момент видите, что вышло нечто интересное», разговаривает Мариус Милло из Ливерморской государственной лаборатории им же. Лоуренса, который проводил опыт наряду с Федерикой Коппари.

    Что происходит с водой при высочайшем давлении и температуре?

    Результаты данной работы, размещенной на данной недельке в Nature, подтверждают существование «суперионного льда», новейшей фазы жидкости с необычными качествами. В отличие от знакомого для вас льда, который можно определить в морозилке либо на северном полюсе, суперионный лед темный и жаркий. Кубик этакого льда весил вчетверо все больше традиционного. В первый раз его существование существовало предсказано наиболее 30 годов назад, и хотя его до сего времени ни разу и не лицезрели, ученые полагают, что он возможно одним из часто встречающихся сортов жидкости во Вселенной.

    Даже в Солнечной системе большинство жидкости, возможно, присутствует в форме суперионного льда — в недрах Урана и Нептуна. Ее все больше, чем водянистой жидкости в океанах Почвы, Европы и Энцелада. Открытие суперионного льда могло бы решить старенькые загадки об составе этих «ледяных гигантов».

    Ученые уже нашли восемнадцать замечательных архитектур ледяного кристалла, включая гексагональное размещение молекул жидкости в всегдашнем льду (Ih). Опосля льда-I, который бывает двух форм, Ih и Ic, другие формы пронумерованы от II перед началом XVII по очередно открытия. Да, «лед-9» на деле бытует, однако его характеристики совсем и не этакие, как только в романе Курта Воннегута «Колыбель для кошки».

    Суперионный лед может претендовать на мантию льда-XVIII. Это же новейший кристалл, однако существуют в нем одно однако. Все раньше узнаваемые водяные льды состоят из неповрежденных молекул жидкости, в каких один атом кислорода сопряжен с двумя атомами водорода. Однако суперионный лед, как только отображают новейшие измерения, и не этакий. Он бытует в некоем сюрреалистическом лимбе, наполовину жестком, наполовину водянистом. Отдельные молекулы жидкости разлагаются. Атомы кислорода сформировывают кубическую сетку, однако атомы водорода разливаются вакантно, протекая, как только жидкость, сквозь твердую клеточку кислорода.

    Спецы рассказывают, что обнаружение суперионного льда окупает компьютерные прогнозы, кои умеют посодействовать физикам-материаловедам производить грядущие вещества с персональными качествами. А уж обнаружение сего льда добивалось сверхбыстрых измерений и четкого контроля температуры и давления, что предстало вероятным только в критериях усовершенствования экспериментальных способов.

    «Все это же существовало нереально предпринять, скажем, пять лет назад», разговаривает Кристоф Зальцманн из Английского институтского института, который открыл льды-XIII, -XIV и XV. «Это непременно окажет большущее влияние».

    Физик Ливия Бове из Государственного центра исследований Франции полагает, что так как молекулы жидкости разлагаются, это же и не вконец новенькая фаза жидкости. «Это новое состояние вещества, что достаточно впечатляюще».

    Паззлы на льду

    Физики охотились за суперионным льдом не мало лет — с того времени, как только примитивная компьютерная симуляция Пьерфранко Демонтиса в 1988 году предсказала, что вода воспримет эту необычную, практически железную форму, ежели вытолкнуть ее за границы карты заведомых ледяных фаз.

    Моделирование продемонстрировало, что под мощным давлением и теплом молекулы жидкости разрушаются. Атомы кислорода заключаются в кубическую сетку, а уж «водород начинает прыгать из единого местоположение в кристалле в альтернативное, опять и снова», разговаривает Милло. Эти прыжки меж узлами сетки так резвые, что атомы водорода — которые ионизируются, превращаясь, по большому счету, в положительно заряженные протоны — ведут себя как только жидкость.

    Возникло предположение, что суперионный лед будет проводить электричество, как только сплав, и водород будет делать участие электронов. Наличие этих вакантных атомов водорода а также усилит беспорядочность льда, его энтропию. В собственную очередь, повышение энтропии изготовит лед стабильнее, чем альтернативные облики ледяных кристаллов, в итоге чего же его температура плавления возрастет.

    Предположить это же все не сложно, поверить в это же — тяжело. Первые фотомодели приименяли облегченную физику, продираясь через квантовую природу настоящих молекул. Наиболее поздние симуляции добавили все больше квантовых спецэффектов, однако тем не менее обошли фактические уравнения, нужные для описания взаимодействия пары квантовых тел, которое очень тяжело высчитать. Заместо сего они полагались на приближения, что увеличивало возможность тамошнего, что весь этот сценарий окажется миражом в симуляции. Опыты, меж тем самым, и не могли сделать нужное давление и произвести довольно тепла, дабы расплавить это же крепкое вещество.

    И когда все уже забросили эту затею, планетологи высказали собственные подозрения, что у жидкости возможно суперионная фаза льда. Приблизительно в то же время, когда эта фаза существовала в первый раз предсказана, зонд «Вояджер-2» отправился во внешнюю галлактику и нашел что-то странноватое в магнитных полях ледяных великанов Урана и Нептуна.

    Поля вокруг остальных планет Галлактики, по-видимому, состоят из строго конкретных северного и южного полюса, без особенной альтернативный структуры. Похоже на то, будто бы в их присутствуют стержневые магниты, выровненные по осям вращения. Планетологи связывают это же с «динамо»: внутридомовыми областями, где проводящие воды подымаются и крутятся по мере вращения планетки, создавая гигантские магнитные поля.

    Наоборот, магнитные поля, исходящие от Урана и Нептуна, выглядели наиболее массивными и сложноватыми, с наиболее чем двумя полюсами. Они а также и не выравнивались близко к вращению собственных планет. Один из методов достигнуть этакого заключается в том, дабы каким-то образом ограничить проводящую жидкость, ответственную за динамо, только тончайшей наружной оболочкой планетки, заместо тамошнего, дабы дозволить ей же просочиться вовнутрь ядра.

    Однако мысль об фолиант, что эти планетки умеют иметь жесткие ядра, и не могущие генерировать динамо, и не казалась близкой к реальности. Если б вы пробурили эти ледяные великаны, вы бы ждали первым делом столкнуться со слоем ионной жидкости, которая будет течь, проводить токи и участвовать в динамо. Кажется, что даже наиболее глубочайший материал, даже при наиболее больших температурах а также будет жидкостью, однако это же наивно. У планетологов существуют шуточка об фолиант, что недра Урана и Нептуна вообщем и не умеют быть жесткими. Однако оказалось, что умеют.

    Взрывной лед

    Коппари, Милло и них команда собрали куски головоломки совместно.

    В наиболее ранешном опыте, размещенном в феврале 2018 года, физики получили косвенные подтверждения существования суперионного льда. Они сжимали каплю жидкости комнатной температуры меж заостренными финалами двух ограненных алмазов. Когда давление взошло приблизительно перед началом гигапаскаля, что приблизительно в 10 раз все больше, чем на деньке Марианской впадины, жидкости перевоплотился в тетрагональный кристалл, лед-VI. На 2 гигапаскалях он перекочевал в лед-VII, наиболее плотную, кубическую форму, прозрачную для безоружного очи, которая, как только не так давно нашли ученые, а также бытует в крохотных кармашках снутри природных алмазов.

    Потом, используя лазер OMEGA в Лаборатории лазерной энергетики, Милло и его коллеги нацелились на лед-VII, все гораздо пережатый меж алмазными наковальнями. Когда лазер огрел по поверхности алмаза, он улетучил материал ввысь, по большому счету отбросив алмаз в обратном направлении и послав ударную волну сквозь лед. Команда Милло нашла, что сверхсдавленный лед расплавился при температуре порядка 4700 градусов по Цельсию, как только и ожидалось для суперионного льда, и что он проводил электричество, благодаря движению заряженных протонов.

    Опосля тамошнего, как только прогнозы относительно больших качеств суперионного льда подтвердились, новое изучение Коппари и Милло обязано существовало подтвердить его структуру. Ежели вы желаете подтвердить кристаллическую природу, для вас востребована дифракция рентгеновских лучей.

    Них новейший опыт пропустил лед-VI и лед-VII вообщем. Заместо сего команда ординарно разбила влагу меж алмазными наковальнями лазерными выстрелами. Спустя миллиардные толики секунды, пока что ударные волны проникали через и вода начала кристаллизоваться в нанометровые кубики льда, ученые добавили гораздо 16 лазерных лучей, дабы улетучить плоский фрагмент железа рядом с эталоном. Получившаяся плазма залила кристаллизующуюся влагу рентгеновскими лучами, кои потом дифрагировали от кристаллов льда и дозволили команде различить них структуру.

    Атомы в воде перестроились в издавна предсказанную, однако ни разу раньше и не виданную архитектуру, лед-XVIII: кубическую сетку с атомами кислорода на каждом углу и посередине каждой грани.

    «Это истинный прорыв», разговаривает Коппари.

    «Тот факт, что существование данной фазы и не является артефактом квантово-молекулярного динамического моделирования, а уж полностью реально — это же максимально радует», разговаривает Бове.

    И этакого рода удачная перекрестная проверка как только моделирования, эдак и заправдашнего суперионного льда подразумевает, что конечная «мечта» исследователей физики материалов возможно скоро достигнута. «Вы разговаривайте лично мне, какие характеристики материала для вас надобны, мы идем к персональному компьютеру и на теоретическом уровне выясняем, какой же материал и какая кристаллическая структура для вас нужна», разговаривает Раймонд Джанлоз, ученый Калифорнийского вуза в Беркли.

    Новейший анализ а также намекает на то, что хотя суперионный лед вправду проводит энное электричество, он является рыхлым, однако жестким раствором. Он будет понемногу разливаться, однако течь — нет. Таким макаром, водянистые слои снутри Урана и Нептуна умеют тормознуть приблизительно на 8000 километрах вглубь планетки, где начнется большая мантия зыбучего суперионного льда. Это же ограничивает большая часть воздействий динамо на наименьших глубинах, беря во внимание причудливые поля планет.

    Альтернативные планетки и луны Галлактики, возможно, и не размещают внутридомовыми температурами и давлениями, кои дозволили бы существовать суперионному льду. Однако огромное количество экзопланет объемов ледяных великанов дозволяют представить, что это же вещество — суперионный лед — будет всераспространен в ледяных мирах по всей галактике.

    Конечно же, ни одна планетка и не будет содержать одну лишь влагу. Ледяные великаны в нашей Солнечной системе а также замешаны из метана и аммиака. Степень, в какой суперионное поведение на деле находит пространство в природе, «будет зависеть от тамошнего, есть ли эти фазы, когда мы замешиваем влагу с иными материалами», рассказывают ученые. Вобщем, суперионный аммиак а также обязан существовать.

    Опыты длятся. Как только думаете, узнаем ли мы в один прекрасный момент, что присутствует посередине огромнейших тел в нашей Солнечной системе? Поделитесь воззрением в нашем чате в Телеграме.