Ученые обнаружили странный черный «суперионный лед», который мог находиться в глубинах других планет.

Используя усовершенствованный источник фотонов, ученые воссоздали структуру льда, образовавшуюся в центре планет в виде Нептун А также Уран.

Все знают о льде, жидкости и паре, но в зависимости от условий вода может образовывать более десятка различных структур. Ученые добавили в список новый этап: ионный супер-лед.

Этот тип льда образуется при чрезвычайно высоких температурах и давлениях, например, в глубинах планет, таких как Нептун и Уран. Раньше супер лед можно было увидеть лишь на короткое время. Ученые послали шок Через каплю воды, но в новом исследовании, опубликованном в Природа Физика Ученые нашли надежный способ создавать, сохранять и исследовать лед.

Ученые использовали алмазы и яркий рентгеновский луч, чтобы воссоздать условия глубоко внутри планет, и они обнаружили новую фазу воды под названием «супер лед». Предоставлено: Фото Виталия Пракабенко.

Соавтор исследования Виталий Пракабенко сказал: Чикагский университет Профессор-исследователь и радиолог в Advanced Photon Source (APS), Управлении науки (DOE) Министерства энергетики США (DOE), пользовательский объект в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики. «Но мы смогли очень точно отобразить свойства этого нового льда, который формирует новую фазу материи, благодаря нескольким мощным инструментам».

Даже когда люди оглядывались назад во времени на начало Вселенной — вплоть до мельчайших частиц, из которых состоит вся материя, — мы все еще не понимаем, что именно лежит глубоко в Земле, не говоря уже о сестринских планетах нашей солнечной системы. Ученые только копают Около семи с половиной миль Под поверхностью земли до того, как оборудование начинает таять из-за сильной жары и давления. В этих условиях горные породы ведут себя как пластик, и основные молекулярные структуры, такие как вода, начинают преобразовываться.

«Мы смогли очень точно отобразить свойства этого нового льда, который формирует новую фазу материи, благодаря нескольким мощным инструментам». — Виталий Пракабенко, Чикагский университет.

Поскольку у нас нет физического доступа к этим местам, ученые должны обратиться в лабораторию, чтобы воссоздать условия экстремальной жары и давления.

Пракабенка и его коллеги используют APS, массивный ускоритель, который разгоняет электроны до очень высоких скоростей, близких к скорости света, чтобы генерировать замечательные пучки рентгеновских лучей. Они сжимают свои образцы между двумя алмазами — самым твердым материалом на Земле — для имитации экстремальных давлений, а затем стреляют лазером через алмаз, чтобы нагреть образец. Наконец, они посылают пучок рентгеновских лучей через образец и вместе определяют расположение атомов внутри на основе того, как рентгеновские лучи рассеиваются от образца.

Когда они впервые провели эксперименты, Пракабенка увидел показания структуры, которые сильно отличались от того, что он ожидал. Он подумал, что что-то пошло не так, и произошла нежелательная химическая реакция, которая часто происходит с водой в таких экспериментах. «Но когда я выключил лазер и образец вернулся к комнатной температуре, лед вернулся в исходное состояние», — сказал он. «Это означает, что это было обратимое структурное изменение, а не химическая реакция».

Посмотрев на структуру льда, команда поняла, что новый этап в их руках. Они смогли точно определить его структуру и свойства.

«Представьте себе куб, сетку с атомами кислорода в углах, соединенную с водородом», — сказал Бракабенко. «Когда вы переключаетесь на эту новую ионную суперфазу, решетка расширяется, позволяя атомам водорода двигаться внутрь, в то время как атомы кислорода остаются фиксированными на своих позициях. Это похоже на твердую решетку кислорода, сидящую в океане плавающих атомов водорода. «

Это влияет на поведение льда: он становится менее плотным, но заметно темнее, потому что по-разному реагирует на свет. Но полный спектр химических и физических свойств суперионного льда еще предстоит изучить. «Это новое состояние материи, поэтому она в основном действует как новая материя, и это может быть не так, как мы думали», — сказал Бракабенко.

Результаты также были неожиданными, потому что, хотя теоретики ожидали этой стадии, большинство моделей думали, что она не появится, пока вода не будет сжата до давления более 50 гигапаскалей (примерно такие же условия внутри ракетного топлива, когда оно взрывается при взлете). Но эти эксперименты проводились только при 20 ГПа. «Иногда такие сюрпризы преподносят, — сказал Бракабенко.

Но определение точных условий, в которых происходят различные фазы льда, важно, среди прочего, для понимания образования планет и даже для понимания того, где искать жизнь на других планетах. Ученые полагают, что аналогичные условия существуют внутри Нептуна и Урана, а также на других холодных и каменистых планетах, как и везде во Вселенной.

Свойства этих льдов играют роль в магнитных полях планеты, которые оказывают существенное влияние на ее способность содержать жизнь: мощные магнитные поля Земли защищают нас от вредного поступающего излучения и космических лучей, в то время как поверхности засушливых планет защищают нас. Марс Открыта ртуть. Знание условий, влияющих на формирование магнитного поля, может помочь ученым в поисках звезд и планет в других солнечных системах, где может быть жизнь.

Бракабенка сказал, что есть много аспектов, которые нужно исследовать, например, проводимость и вязкость, химическая стабильность, что меняется, когда вода смешивается с солями или другими минералами, и как она ведет себя на глубинах, часто ниже поверхности Земли. «Это должно стимулировать больше исследований», — сказал он.

Ссылка: «Структура и свойства двух суперионных ледниковых фаз» Виталия Бракабенко, Николая Хольтгрея и Сергея С. Лобанов и Александр Ф. Гончаров, 14 октября 2021 г., доступно здесь. Природа Физика.
DOI: 10.1038 / s41567-021-01351-8

Синхротронная дифракция рентгеновских лучей была выполнена в GeoSoilEnviroCARS, канале пучка на усовершенствованном источнике фотонов в Аргоннской национальной лаборатории, а оптическая спектроскопия была проведена в Научном институте Карнеги. Другими авторами статьи являются Николас Холтгроу из CARS и Вашингтонского института Карнеги, Сергей Лобанов из Института Карнеги и Немецкого центра геофизических исследований GFZ и Александр Гончаров из Института Карнеги.