Физики получили странную форму воды, которая существует в глубинах других планет
Исследователи впервые смогли непосредственно наблюдать необычную форму воды, «пластичный лед», который формируется при высоких температурах и давлении и сочетает в себе свойства как твердого льда, так и жидкости. Эти наблюдения, описанные в Nature, могут помочь понять процессы, происходящие на других планетах в нашей Солнечной системе и за ее пределами.
«Пластичный лед — что-то среднее между жидкостью и кристаллом. Его называют так, потому что он легче формируется или деформируется, чем кристаллический лед, проявляя то, что ученые называют пластичностью. Это что-то, что может просачиваться через отверстие, даже если это все еще твердое», — говорит физик Ливия Бове из Римского университета Сапиенца.
Большая часть льда на поверхности Земли состоит из молекул воды, упорядоченных в гексагональную решетку, напоминающую пчелиные соты. Такой обычный лед называют «лед Ih». Однако помимо него существует по меньшей мере 20 других известных фаз льда, которые образуются при различных температурах и давлении. Например, при давлениях выше 20 000 бар (20 000 килограмм на квадратный дюйм) ледяные решетки сжимаются в лед VII с плотной структурой, в которой молекулы расположены как кубики в кубике Рубика. Лед VII был найден в алмазах, рожденных в мантии Земли, и считается, что он существует внутри других планет тоже.
Существуют также чисто теоретические фазы льда. Более 15 лет назад компьютерные симуляции показали, что когда лед VII нагревается и подвергается еще более экстремальному давлению, молекулы воды в нем должны начать свободно вращаться, как в жидкости, занимая при этом фиксированные положения, как в твердом веществе. Из-за схожей структуры с льдом VII (кубической), эта фаза получила название «пластичный лед VII».
Для нового исследования использовали относительно новый инструмент в Институте Лауэ-Ланжевен (Франция), способный измерять движение молекул при экстремальных давлениях. В экспериментах направляли нейтронный луч на образцы воды и подвергали их воздействию температур до 326°C и давлению до 60 000 бар. Наблюдая за рассеянными нейтронами, команда смогла охарактеризовать движения молекул и идентифицировать образовавшуюся фазу.
Выше 177°C и примерно при 30 000 бар — что в 28 раз больше давления в самой глубокой точке океанов Земли — ученые наблюдали фазу льда с кубической кристаллической решеткой и вращающимися молекулами воды. Они идентифицировали эту фазу как пластичный лед VII, подтвердив его существование.
Однако одна деталь наблюдений отличалась от теоретических предсказаний. Вместо свободного вращения, молекулы воды вращались рывками. Они разрывали свои водородные связи с одним соседом, чтобы быстро развернуться и соединиться с другим.Пластичный лед VII мог существовать на ранних стадиях формирования Европы, Титана и других ледяных лун в нашей Солнечной системе. Наблюдения могут помочь воссоздать историю эволюции этих спутников газовых гигантов в существующие сегодня океанические миры. А за пределами нашей солнечной системы странный лед может находиться на дне гигантских океанов экзопланет, некоторые из которых тысячами километров в глубину и потенциально обитаемы. Изучение того, насколько легко этот тип льда впитывает соли в свою решетку, могло бы помочь определить, способствует ли его наличие обмену солей между океанским дном и поверхностью океанов на экзопланетах.