Американские физики впервые экспериментально получили суперионный лед — особое состояние льда, в котором ионы кислорода образуют жесткую кристаллическую решетку, а ионы водорода свободно по ней перемещаются. Теоретически такая форма льда была предсказана еще 30 лет назад, но получить ее экспериментально удалось впервые, пишут ученые в Nature Physics.
Около 30 лет назад теоретически было предсказано, что при сверхвысоких давлениях и температурах в несколько тысяч градусов водный лед может существовать в суперионной форме. В таком состоянии ионы кислорода образуют жесткую связанную решетку, а ионы водорода по этой решетке перемещаются подобно жидкости. Условия, при которых должен образовываться суперионный лед, характерны, например, для Нептуна или Урана — планет из группы ледяных гигантов, в недрах которых содержится довольно большое количество высокотемпературных модификаций льда, среди которых, вероятно, есть и суперионный. Однако получить такой лед в лабораторных условиях и подтвердить существование этой фазы экспериментально до настоящего момента не удавалось.
Американские физики под руководством Мариуса Миллота (Marius Millot) из Ливерморской национальной лаборатории впервые смогли получить суперионный лед в лаборатории. Для этого ученые использовали ударное сжатие льда-VII под действием лазера. Лед-VII — одна из разупорядоченных кубических модификаций льда, которую можно получить при давлении около 2,5 гигапаскалей (что в 25 тысяч раз больше атмосферного) и комнатной температуре. Такой лед авторы работы синтезировали в ячейке с алмазными наковальнями, после чего с помощью лазера возбуждали в нем ударные волны, которые распространялись со скоростью от 4 до 10 километров в секунду и приводили к локальному нагреву и увеличению давления. Необходимые условия возникали на очень короткое время (около 10 — 20 наносекунд), после чего вода испарялась.
За состоянием льда в ученые наблюдали с помощью интерференционной велосиметрии и пирометрии, позволяющих оценить давление и температуру по оптическим характеристикам. Кроме того, с помощью численного моделирования с использованием теории функционала плотности и молекулярной динамики физики показали, что при использованных условиях действительно должен образовываться суперионный лед. Согласно полученным результатам, возможность образования суперионного льда сильно повышает температуру плавления, которое начинается только при температуре около 5 тысяч градусов и давлении в 190 гигапаскалей.
Авторы работы также показали, что для суперионного льда характерна и очень высокая ионная проводимость. Поскольку катионы водорода внутри такой структуры двигаются относительно свободно, то протонная проводимость превышает 100 сименсов на сантиметр. При этом сохраняется и небольшая электронная проводимость.
По словам авторов работы, возможностью перехода из твердого состояния не в жидкое, а в суперионное можно объяснить и некоторые другие фазовые переходы в воде, наблюдавшиеся в других работах при давлениях около 50-70 гигапаскалей.
Ученые утверждают, что экспериментальное подтверждение существования суперионного льда, во-первых, показывает применимость используемых в данный момент компьютерных моделей для численного расчета и моделирования, а во-вторых, дает большое количество очень важной информации о состоянии воды на небесных телах, для которых характерны подобные температура и давление. Исходя из полученных результатов, например, для ледяных гигантов можно оценить механические, магнитные и электронные свойства их ледяных оболочек.
Поскольку водород и кислород — одни из наиболее распространенных элементов в Солнечной системе, а молекула воды имеет очень устойчивую структуру, довольно большое количество различных форм льда находят не только на ледяных гигантах, но и на более маленьких планетах и других небесных телах. Например, недавно на Марсе ученые обнаружили сразу восемь участков, где лед выходит на поверхность планеты. До этого с помощью зонда Dawn лед удалось обнаружить на карликовой планете Церера и астероиде Веста.