Niedawno w Laser Energy Laboratory w Brighton w stanie Nowy Jork jeden z najpotężniejszych laserów na świecie uderzył w kroplę wody, tworząc falę uderzeniową, która podniosła ciśnienie w tej wodzie do milionów atmosfer i temperaturę do tysięcy stopni. Promienie rentgenowskie, które przeszły przez tę kroplę w tym samym ułamku sekundy, pokazały ludzkości pierwsze spojrzenie na wodę w tak ekstremalnych warunkach. Pokazali, że woda wewnątrz fali uderzeniowej nie stała się przegrzaną cieczą ani gazem. Nie, woda jest zamarznięta.
Paradoksalnie atomy wody zamarzły, tworząc krystaliczny lód. Jednak zgodnie z oczekiwaniami fizyków, mrużąc oczy na ekranach w sąsiednim pomieszczeniu.
„Słyszysz strzał iw tym samym momencie widzisz, że wydarzyło się coś ciekawego” - mówi Marius Millo z Livermore National Laboratory. Lawrence, który przeprowadził eksperyment z Federicą Coppari.
Co dzieje się z wodą pod wysokim ciśnieniem i temperaturą?
Wyniki tej pracy, opublikowane w tym tygodniu w Nature, potwierdzają istnienie „lodu superjonowego”, nowej fazy wody o dziwnych właściwościach. W przeciwieństwie do znanego lodu znajdującego się w zamrażarce lub na biegunie północnym, lód superjonowy jest czarny i gorący. Sześcian tego lodu ważył cztery razy więcej niż zwykle. Jego istnienie przewidywano po raz pierwszy ponad 30 lat temu i chociaż nigdy wcześniej go nie widziano, naukowcy uważają, że może to być jeden z najbardziej rozpowszechnionych rodzajów wody we Wszechświecie.
Nawet w Układzie Słonecznym większość wody ma prawdopodobnie postać superjonowego lodu - w trzewiach Urana i Neptuna. W oceanach Ziemi, Europy i Enceladusa jest go więcej niż wody w stanie ciekłym. Odkrycie lodu superjonowego może rozwiązać dawne tajemnice dotyczące składu tych „lodowych gigantów”.
Naukowcy odkryli już osiemnaście niesamowitych architektur kryształów lodu, w tym sześciokątny układ cząsteczek wody w zwykłym lodzie (Ih). Po lodzie-I, który występuje w dwóch formach, Ih i Ic, pozostałe formy są ponumerowane od II do XVII w kolejności otwierania. Tak, „ice-9” faktycznie istnieje, ale jego właściwości wcale nie są takie same jak w powieści Kurta Vonneguta „Kocia kołyska”.
Film promocyjny:
Superionowy lód może pretendować do płaszcza Ice-XVIII. To jest nowy kryształ, ale jest w nim jedna rzecz. Wszystkie znane wcześniej lody wodne składają się z nienaruszonych cząsteczek wody, w których jeden atom tlenu jest związany z dwoma atomami wodoru. Ale lód superjonowy, jak pokazują nowe pomiary, nie jest taki. Istnieje w rodzaju surrealistycznej kończyny, półstałej, półpłynnej. Pojedyncze cząsteczki wody rozpadają się. Atomy tlenu tworzą sześcienną sieć, ale atomy wodoru swobodnie się rozlewają, przepływając jak ciecz przez sztywną komorę tlenową.
Eksperci twierdzą, że odkrycie lodu superjonowego uzasadnia prognozy komputerowe, które mogłyby pomóc fizykom materiałowym w tworzeniu przyszłych substancji o indywidualnych właściwościach. A odkrycie tego lodu wymagało ultraszybkich pomiarów i precyzyjnej kontroli temperatury i ciśnienia, co stało się możliwe tylko dzięki udoskonaleniu metod eksperymentalnych.
Fizyk Livia Bove z francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych uważa, że ponieważ rozkładają się cząsteczki wody, nie jest to zupełnie nowa faza wody. „To nowy stan skupienia, który robi wrażenie”.
Zagadki lodowe
Fizycy polowali na lód superjonowy od wielu lat - od czasu, gdy prymitywna symulacja komputerowa przeprowadzona przez Pierfranco Demontes w 1988 r. Przewidywała, że woda przybierze ten dziwny, niemal metaliczny kształt, jeśli zostanie wypchnięta poza mapę znanych faz lodu.
Modelowanie wykazało, że pod silnym ciśnieniem i wysoką temperaturą cząsteczki wody ulegają zniszczeniu. Atomy tlenu są uwięzione w sześciennej sieci krystalicznej i „wodór zaczyna przeskakiwać z jednego miejsca w krysztale do drugiego” - mówi Millo. Te skoki między miejscami w sieci są tak szybkie, że atomy wodoru - które jonizują, stając się zasadniczo dodatnio naładowanymi protonami - zachowują się jak ciecz.
Sugerowano, że superjonowy lód będzie przewodził elektryczność jak metal, a wodór będzie działał jak elektrony. Obecność tych wolnych atomów wodoru zwiększy również nieład lodu, jego entropię. Z kolei wzrost entropii sprawi, że lód będzie stabilniejszy niż inne rodzaje kryształków lodu, w wyniku czego wzrośnie jego temperatura topnienia.
Łatwo to wszystko sobie wyobrazić, trudno w to uwierzyć. Pierwsze modele wykorzystywały uproszczoną fizykę, brodząc przez kwantową naturę rzeczywistych cząsteczek. Późniejsze symulacje dodały więcej efektów kwantowych, ale nadal omijały rzeczywiste równania potrzebne do opisania interakcji wielu ciał kwantowych, co jest zbyt trudne do obliczenia. Zamiast tego oparli się na przybliżeniach, co zwiększyło prawdopodobieństwo, że cały ten scenariusz okaże się w symulacji mirażem. Tymczasem eksperymenty nie były w stanie wytworzyć niezbędnego ciśnienia i wytworzyć wystarczającej ilości ciepła, aby stopić tę silną substancję.
A kiedy wszyscy już porzucili to przedsięwzięcie, planetolodzy wyrazili własne podejrzenia, że woda może mieć superjonową fazę lodu. Mniej więcej w tym samym czasie, kiedy po raz pierwszy przewidziano tę fazę, sonda Voyager 2 weszła do zewnętrznego układu słonecznego i odkryła coś dziwnego w polach magnetycznych lodowych olbrzymów Urana i Neptuna.
Wydaje się, że pola wokół innych planet Układu Słonecznego składają się z dobrze określonych biegunów północnych i południowych, bez żadnej innej szczególnej struktury. Wygląda na to, że zawierają magnesy sztabkowe wyrównane z osiami obrotu. Planetolodzy kojarzą to z „dynami”: wewnętrznymi obszarami, w których płyny przewodzące unoszą się i obracają w miarę obrotu planety, tworząc ogromne pola magnetyczne.
Z kolei pola magnetyczne emanujące z Urana i Neptuna wyglądały na bardziej nieporęczne i złożone, z więcej niż dwoma biegunami. Nie ustawili się również blisko obrotu swoich planet. Jednym ze sposobów jest ograniczenie przewodzącego płynu, odpowiedzialnego za dynamo, tylko do cienkiej zewnętrznej powłoki planety, zamiast pozwolić mu przeniknąć do jądra.
Ale pomysł, że te planety mogą mieć solidne rdzenie, które nie mogą generować dynama, nie wydawał się realistyczny. Jeśli przewiercisz te lodowe olbrzymy, spodziewasz się najpierw napotkać warstwę wody jonowej, która będzie płynąć, przewodzić prądy i uczestniczyć w dynamo. Wydaje się, że nawet głębszy materiał, nawet w wyższych temperaturach, też będzie płynny, ale to naiwność. Planetolodzy żartują, że wnętrzności Urana i Neptuna wcale nie mogą być trwałe. Ale okazało się, że mogą.
Wydmuchiwanie lodu
Coppari, Millo i ich zespół złożyli razem elementy układanki.
We wcześniejszym eksperymencie opublikowanym w lutym 2018 roku fizycy uzyskali poszlaki na istnienie lodu superjonowego. Wcisnęli kroplę wody o temperaturze pokojowej między spiczaste końce dwóch oszlifowanych diamentów. Kiedy ciśnienie wzrosło do około gigapaskala, czyli około 10 razy więcej niż na dnie rowu Mariana, woda zamieniła się w tetragonalny kryształ, lód-VI. Przy 2 gigapaskalach przekształcił się w lód-VII, gęstszy, sześcienny kształt przezroczysty gołym okiem, który naukowcy odkryli niedawno w małych kieszonkach wewnątrz naturalnych diamentów.
Następnie, używając lasera OMEGA w Laser Energy Lab, Millo i jego koledzy wycelowali w Ice-VII, wciąż wciśnięty pomiędzy diamentowe kowadła. Kiedy laser uderzył w powierzchnię diamentu, wyparował materiał w górę, zasadniczo wyrzucając diament w przeciwnym kierunku i wysyłając falę uderzeniową przez lód. Zespół Millo odkrył, że super-skompresowany lód topił się przy około 4700 stopniach Celsjusza, jak oczekiwano dla lodu superjonowego, i że przewodził elektryczność poprzez ruch naładowanych protonów.
Po potwierdzeniu prognoz dotyczących masowych właściwości lodu superjonowego, nowe badanie przeprowadzone przez Coppari i Millo powinno było potwierdzić jego strukturę. Jeśli chcesz potwierdzić krystaliczną naturę, potrzebujesz dyfrakcji rentgenowskiej.
W ich nowym eksperymencie w ogóle nie udało się uzyskać lodu-VI i lodu-VII. Zamiast tego zespół po prostu rozbił wodę między diamentowymi kowadłami strzałami laserowymi. Miliardowe sekundy później, gdy przenikały fale uderzeniowe i woda zaczęła krystalizować się w nanometrowe kostki lodu, naukowcy dodali jeszcze 16 wiązek laserowych, aby wyparować cienki kawałek żelaza obok próbki. Powstała plazma zalała krystalizującą wodę promieniami rentgenowskimi, które następnie uległy ugięciu od kryształów lodu i pozwoliły zespołowi na rozróżnienie ich struktury.
Atomy w wodzie przearanżowały się w długo przewidywaną, ale nigdy wcześniej nie widzianą architekturę, lód XVIII: sześcienną siatkę z atomami tlenu w każdym rogu i pośrodku każdej ściany.
Ten rodzaj udanej weryfikacji krzyżowej zarówno symulacji, jak i prawdziwego lodu superjonowego sugeruje, że ostateczne „marzenie” badaczy fizyki materiałów może wkrótce zostać spełnione. „Powiedz mi, jakich właściwości materiału potrzebujesz, idziemy do komputera i teoretycznie ustalamy, jakiego materiału i jakiej struktury kryształu potrzebujesz” - mówi Raymond Janlose, naukowiec z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley.
Nowa analiza wskazuje również, że chociaż lód superjonowy przewodzi trochę elektryczności, jest luźny, ale trwały. Będzie się stopniowo rozprzestrzeniać, ale nie będzie płynąć. W ten sposób warstwy cieczy wewnątrz Urana i Neptuna mogą zatrzymać się około 8000 kilometrów w głąb lądu, gdzie zacznie się ogromny płaszcz niestabilnego lodu superjonowego. Ogranicza to większość działań dynamo na mniejszych głębokościach, biorąc pod uwagę niezwykłe pola planet.
Inne planety i księżyce Układu Słonecznego prawdopodobnie nie mają wewnętrznych temperatur i ciśnień, które pozwalałyby na istnienie lodu superjonowego. Jednak mnogość egzoplanet wielkości lodowych olbrzymów sugeruje, że ta substancja - superjonowy lód - będzie rozmieszczona w lodowych światach w całej galaktyce.
Oczywiście żadna planeta nie będzie zawierała samej wody. Lodowe olbrzymy w naszym Układzie Słonecznym są również mieszane z metanem i amoniakiem. Stopień, w jakim zachowanie superjonowe rzeczywiście znajdzie swoje miejsce w naturze „będzie zależał od tego, czy te fazy istnieją, gdy zmieszamy wodę z innymi materiałami” - mówią naukowcy. Jednak musi również istnieć superjonowy amoniak.
Eksperymenty są kontynuowane. Czy myślisz, że pewnego dnia dowiemy się, co znajduje się w środku największych ciał w naszym Układzie Słonecznym?
Ilya Khel