В одата е едно от най-разпространените и жизненоважни вещества в нашия свят. Без нейната роля на универсален разтворител животът е просто невъзможен. Тя вали от небето, пием я, къпем се в нея и се забавляваме във водна среда.
Но ако я разглеждаме просто като течност, водата е изключително странна. Поведението ѝ е в пълен разрез с това на останалите течности:
- При замръзване плътността ѝ намалява (вместо да се увеличава).
- Има неестествено високо повърхностно напрежение.
- Точката ѝ на кипене е необичайно висока.
- На база молекулната ѝ маса тя би трябвало да бъде газ при стайна температура.
И всичко това се отнася за нормалните, стандартни условия на Земята.
Променете налягането и температурата само с няколко степени и смущаващото поведение на водата излиза напълно извън контрол.
Учени демонстрираха една от най-екзотичните форми на лед, създавани някога – при абсурдно високо налягане от над 2.3 милиона атмосфери и колосална температура, достигаща до 2630 келвина (около 2357°C).
При такива екстремни градуси бихме очаквали водата категорично да се превърне в газ или дори да се разпадне на съставните си водородни и кислородни атоми. Но при чудовищното налягане, каквото съществува в дълбините на планетите, се случва нещо съвсем различно.
Когато водата преминава от течно в газообразно състояние, тя се разширява. Под унищожителния натиск на милиони атмосфери това разширение бива блокирано. Вместо това водата остава изключително плътна, приемайки екзотични състояния, които нямат нищо общо с леда на земната повърхност.
Една от тези форми е суперионният лед – изключително странно състояние на материята, което не е нито напълно твърдо, нито напълно течно. В него кислородните атоми остават фиксирани в твърда кристална решетка (както е при твърдите тела), но водородните ядра се движат свободно през тази решетка, подобно на частици в течност.
При малки промени в условията подредбата на кислородните атоми се пренарежда в различни конфигурации, наречени фази. Познати са над 20 фази на водния лед, като няколко от тях стават суперионни при екстремни условия.
Това откритие не е просто научна любопитност. Смята се, че суперионният лед съществува дълбоко във вътрешността на Уран и Нептун, където неговите необичайни свойства играят ключова роля за генерирането на нестандартните им магнитни полета.
В новите си експерименти екип, воден от физика Алекси Форестие от Френската комисия по алтернативни енергии и атомна енергия, подлага микроскопични проби от вода на същите екстремни условия, за които се предполага, че властват в недрата на ледените гиганти.
Изследователите притискат пробите между върховете на два диаманта до налягания от 230 гигапаскала (2.3 милиона пъти по-високо от атмосферното налягане на морското равнище), докато с помощта на лазери ги нагряват до хиляди градуси. За сравнение, налягането в самия център на Земята е около 360 гигапаскала.
След това, използвайки изключително тесен сноп от синхротронни рентгенови лъчи, те изследват промените в кристалната структура на леда.
Резултатът е конфигурация, предсказана теоретично, но никога досега незасичана потвърдено в експеримент: хексагонална плътно опакована (hcp) решетка. Когато кристалът с hcp структура бива нагрят, неговото разширение показва ясни белези на суперионно поведение при около 1700 келвина.
Името се отнася до начина, по който са подредени кислородните атоми. Представете си, че подреждате еднакви топчета на слоеве - съществуват няколко различни начина, по които тези слоеве могат да бъдат поставени един върху друг, за да се постигне максимално плътно опаковане.
Една от известните досега форми на суперионен лед има кубична стенноцентрирана (fcc) структура. При новоидентифицирания hcp лед слоевете са подредени в различна последователност. Учените откриват доказателства, че едната форма може да се преобразува в другата при изместване на слоевете.
Това преобразуване настъпва с увеличаване на екстремността на средата:
- При 155 гигапаскала и 2000 келвина рентгеновият сигнал показва смес от fcc и hcp структура.
- При покачване до 197 гигапаскала и 2250 келвина сигналът от hcp започва да dominates.
- При финалните условия от 219 гигапаскала и 2630 келвина следите от fcc почти изчезват, а hcp структурата напълно преобладава.
Преразглеждайки данни от предишни експерименти, учените осъзнават, че необичаен пик в рентгеновата дифракция над 130 гигапаскала вероятно е бил именно първият знак за hcp лед, който тогава не е бил разпознат. Данните показват, че при налягане над 200 гигапаскала hcp формацията се превръща в по-стабилната подредба за суперионния лед.
Промяната изглежда минимална на атомно ниво, но последиците за астрофизиката са огромни. Ако hcp ледът провежда електричество по различен начин от fcc леда, неговото наличие в дълбините на Уран и Нептун ще промени фундаментално моделите за това как материята и електрическият заряд се движат в техните ядра – процеси, отговорни за техните асиметрични и хаотични магнитни полета.
Предстоят нови изследвания и теоретични изчисления, които да изяснят механичните и електрическите свойства на hcp леда, както и да определят точните граници на неговата стабилност.
Водата продължава да изненадва. Науката едва сега започва да разкрива пълния потенциал на тази молекула – и има нещо символично във факта, че сме изцяло зависими от най-загадъчното вещество във Вселената.
