Лід майже при 2400 °C: як вода витримує температуру, близьку до половини сонячної

Суперіонний лід — одна з найекзотичніших форм води, яку вчені змогли відтворити в лабораторії. Він виникає під тиском близько 2,3 мільйона атмосфер і за температури до 2630 кельвінів, тобто приблизно 2357 °C. Для порівняння: звичайний побутовий морозильник працює приблизно при –18 °C, а тут вода поводиться як речовина з іншої планети.

Чому вода не випаровується під тиском у мільйони атмосфер

На Землі нагрівання зазвичай змушує воду розширюватися й переходити в пару. Але в експерименті французьких та європейських дослідників зовнішній тиск настільки стискав зразок, що молекулам майже не залишалося простору для такого розширення.

Тиск у 230 гігапаскалів приблизно у 2000 разів більший, ніж на дні Маріанської западини. Він також становить близько 64% тиску в центрі Землі — середовища, де звична шкільна схема «лід—вода—пара» вже не працює.

Що таке суперіонний лід і чому він незвичайний

Це не просто дуже гарячий шматок льоду. У суперіонному стані атоми кисню утримуються в упорядкованій кристалічній решітці, тоді як ядра водню можуть переміщатися крізь неї майже як частинки в рідині.

Виходить дивне поєднання: тверда структура і рухливість, характерна для рідини. За своїми властивостями такий матеріал радше нагадує кристал, крізь який безперервно проходять заряджені частинки, ніж сніг або лід у склянці. Саме ця рухливість водню може пояснювати його незвичну електропровідність.

Як учені створили лід hcp у лабораторії

Дослідники помістили крихітний зразок води між двома алмазними наковальнями. Алмаз обрали не випадково: це один із найтвердіших матеріалів, здатний витримувати величезне стискання й водночас пропускати лазерне випромінювання для нагрівання.

Зразок стиснули до 230 гігапаскалів, а потім нагрівали лазерами приблизно до тисячі градусів і вище. Його зміни відстежували рентгенівським променем на синхротроні — установці, де випромінювання дозволяє розглядати структуру речовини майже на рівні розташування атомів.

Так науковці підтвердили існування форми льоду з гексагональною щільною упаковкою, або hcp. Раніше її передбачали теоретично, але безпосередніх експериментальних доказів бракувало.

Чим структура hcp відрізняється від інших форм льоду

Атоми кисню в цій структурі розміщуються шарами, подібно до щільно складених кульок. Різниця полягає в порядку накладання наступних шарів: навіть така невелика зміна створює іншу кристалічну форму.

Раніше в суперіонному стані вже досліджували лід із гранецентричною кубічною структурою — fcc. У hcp порядок шарів інший, тому матеріал може мати відмінні механічні властивості, зокрема по-різному деформуватися під навантаженням.

Де у Всесвіті може існувати такий лід

Найімовірніші природні «лабораторії» для суперіонного льоду — Уран і Нептун. Ці планети належать до крижаних гігантів, а під їхніми зовнішніми шарами тиск і температура можуть створювати умови, недоступні на поверхні Землі.

Рухливі ядра водню всередині суперіонного матеріалу здатні впливати на проходження електричних струмів. Через це такий шар може бути пов’язаний із незвичайними магнітними полями Урана й Нептуна, які помітно нахилені відносно осей обертання планет і не мають простої симетрії.

Що ще потрібно з’ясувати про екзотичний лід

Відкриття hcp лише відкриває новий розділ досліджень. Наразі вченим потрібно точніше визначити, за яких меж тиску й температури ця фаза залишається стабільною, а коли поступається місцем структурі fcc.

Окремий напрям — перевірка пластичності та електропровідності матеріалу. Наприклад, майбутні експерименти мають показати, чи здатен hcp-лід повільно деформуватися в глибинах планети або поводиться жорсткіше за інші відомі форми суперіонного льоду. Звичайної води для цього знадобилося б мізерно мало — лабораторні зразки мають розміри, які можна порівняти з крупинкою пилу.