Лед почти при 2400 °C: как вода выдерживает температуру, близкую к половине солнечной

Суперионный лед — одна из самых экзотических форм воды, которую ученые смогли воспроизвести в лаборатории. Он возникает под давлением около 2,3 миллиона атмосфер и при температуре до 2630 кельвинов, то есть примерно 2357 °C. Для сравнения: обычный бытовой морозильник работает примерно при –18 °C, а тут вода ведет себя как вещество с другой планеты.

Почему вода не испаряется под давлением в миллионы атмосфер

На Земле нагревание обычно заставляет воду расширяться и переходить в пар. Но в эксперименте французских и европейских исследователей внешнее давление так сжимало образец, что молекулам почти не оставалось пространства для такого расширения.

Давление в 230 гигапаскалей примерно в 2000 раз больше, чем на дне Марианской впадины. Оно также составляет около 64% давления в центре Земли — среды, где привычная школьная схема «лед—вода—пар» уже не работает.

Что такое суперионный лед и почему он необычен

Это не просто очень горячий кусок льда. В суперионном состоянии атомы кислорода удерживаются в упорядоченной кристаллической решетке, тогда как ядра водорода могут перемещаться сквозь нее почти как частицы в жидкости.

Выходит странное сочетание: твердая структура и подвижность, характерная для жидкости. По своим свойствам такой материал скорее напоминает кристалл, сквозь который бесконечно проходят заряженные частицы, чем снег или лед в стакане. Именно эта подвижность водорода может объяснять его необычную электропроводность.

Как ученые создали лед hcp в лаборатории

Исследователи поместили крошечный образец воды между двумя алмазными наковальнями. Алмаз выбрали не случайно: это один из самых твердых материалов, способный выдерживать огромное сжатие и одновременно пропускать лазерное излучение для нагрева.

Образец сжали до 230 гигапаскалей, а затем нагревали лазерами примерно до тысячи градусов и выше. Его изменения отслеживали рентгеновским лучом на синхротроне — установке, где излучение позволяет рассматривать структуру вещества почти на уровне расположения атомов.

Так ученые подтвердили существование формы льда с гексагональной плотной упаковкой, или hcp. Ранее ее предсказывали теоретически, но непосредственных экспериментальных доказательств не хватало.

Чем структура hcp отличается от других форм льда

Атомы кислорода в этой структуре размещаются слоями, подобно плотно сложенным шарикам. Разница заключается в порядке наложения следующих слоев: даже такое небольшое изменение создает другую кристаллическую форму.

Ранее в суперионном состоянии уже исследовали лед с гранецентричной кубической структурой — fcc. В hcp порядок слоев другой, поэтому материал может иметь отличные механические свойства, в том числе по-разному деформироваться под нагрузкой.

Где во Вселенной может существовать такой лед

Наиболее вероятные природные «лаборатории» для суперионного льда — Уран и Нептун. Эти планеты относятся к ледяным гигантам, а под их внешними слоями давление и температура могут создавать условия, недоступные на поверхности Земли.

Подвижные ядра водорода внутри суперионного материала способны влиять на прохождение электрических токов. Из-за этого такой слой может быть связан с необычными магнитными полями Урана и Нептуна, которые заметно наклонены относительно осей вращения планет и не имеют простой симметрии.

Что еще нужно выяснить про экзотический лед

Открытие hcp лишь открывает новый раздел исследований. В настоящее время ученым нужно точнее определить, при каких пределах давления и температуры эта фаза остается стабильной, а когда уступает место структуре fcc.

Отдельное направление — проверка пластичности и электропроводности материала. Например, будущие эксперименты должны показать, способен ли hcp-лед медленно деформироваться в глубинах планеты или ведет себя жестче, чем другие известные формы суперионного льда. Обычной воды для этого понадобилось бы мизерно мало — лабораторные образцы имеют размеры, которые можно сравнить с крупинкой пыли.