Суперионная вода что это

Вода необычной формы может быть самой распространенной во Вселенной

Недавно в Лаборатории лазерной энергетики в Брайтоне, штат Нью-Йорк, один из самых мощных лазеров в мире ударил в каплю воды, создав ударную волну, которая подняла давление в этой воде до миллионов атмосфер, а температуру — до тысяч градусов. Рентгеновские лучи, которые прошли через эту каплю в ту же долю секунды, явили человечеству первый проблеск воды в таких экстремальных условиях. Они показали, что вода внутри ударной волны не стала перегретой жидкостью или газом. Нет, вода замерзла.

Оказывается вода может быть разной формы.

Как это ни парадоксально, атомы воды замерзли, образовав кристаллический лед. Впрочем, как и предполагали физики, щурящиеся на экраны в соседней комнате.

«Вы слышите выстрел и в тот же момент видите, что произошло нечто интересное», говорит Мариус Милло из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, который проводил эксперимент вместе с Федерикой Коппари.

Что происходит с водой при высоком давлении и температуре?

Результаты этой работы, опубликованной на этой неделе в Nature, подтверждают существование «суперионного льда», новой фазы воды с причудливыми свойствами. В отличие от знакомого вам льда, который можно найти в морозилке или на северном полюсе, суперионный лед черный и горячий. Кубик такого льда весил в четыре раза больше обычного. Впервые его существование было предсказано более 30 лет назад, и хотя его до сих пор никогда не видели, ученые считают, что он может быть одним из самых распространенных видов воды во Вселенной.

Даже в Солнечной системе большая часть воды, вероятно, находится в форме суперионного льда — в недрах Урана и Нептуна. Ее больше, чем жидкой воды в океанах Земли, Европы и Энцелада. Открытие суперионного льда могло бы решить старые загадки о составе этих «ледяных гигантов».

Ученые уже обнаружили восемнадцать изумительных архитектур ледяного кристалла, включая гексагональное расположение молекул воды в обычном льду (Ih). После льда-I, который бывает двух форм, Ih и Ic, остальные формы пронумерованы от II до XVII по порядку открытия. Да, «лед-9» на самом деле существует, но его свойства вовсе не такие, как в романе Курта Воннегута «Колыбель для кошки».

Суперионный лед может претендовать на мантию льда-XVIII. Это новый кристалл, но есть в нем одно но. Все ранее известные водяные льды состоят из неповрежденных молекул воды, в которых один атом кислорода связан с двумя атомами водорода. Но суперионный лед, как показывают новые измерения, не такой. Он существует в некоем сюрреалистическом лимбе, наполовину твердом, наполовину жидком. Отдельные молекулы воды распадаются. Атомы кислорода формируют кубическую решетку, но атомы водорода разливаются свободно, протекая, как жидкость, через жесткую клетку кислорода.

Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.

Специалисты говорят, что обнаружение суперионного льда оправдывает компьютерные прогнозы, которые могут помочь физикам-материаловедам создавать будущие вещества с индивидуальными свойствами. А обнаружение этого льда требовало сверхбыстрых измерений и точного контроля температуры и давления, что стало возможным лишь в условиях усовершенствования экспериментальных методов.

«Все это было невозможно сделать, скажем, пять лет назад», говорит Кристоф Зальцманн из Лондонского университетского колледжа, который открыл льды-XIII, -XIV и XV. «Это безусловно окажет огромное влияние».

Физик Ливия Бове из Национального центра научных исследований Франции считает, что поскольку молекулы воды распадаются, это не совсем новая фаза воды. «Это новое состояние вещества, что довольно впечатляюще».

Паззлы на льду

Физики охотились за суперионным льдом много лет — с тех пор, как примитивная компьютерная симуляция Пьерфранко Демонтиса в 1988 году предсказала, что вода примет эту странную, почти металлическую форму, если вытолкнуть ее за пределы карты известных ледяных фаз.

Моделирование показало, что под сильным давлением и теплом молекулы воды разрушаются. Атомы кислорода заключаются в кубическую решетку, а «водород начинает прыгать из одного положение в кристалле в другое, снова и снова», говорит Милло. Эти прыжки между узлами решетки настолько быстрые, что атомы водорода — которые ионизируются, превращаясь, по сути, в положительно заряженные протоны — ведут себя как жидкость.

Появилось предположение, что суперионный лед будет проводить электричество, как металл, и водород будет выполнять роль электронов. Наличие этих свободных атомов водорода также усилит беспорядочность льда, его энтропию. В свою очередь, увеличение энтропии сделает лед стабильнее, чем другие виды ледяных кристаллов, в результате чего его температура плавления вырастет.

Представить это все легко, поверить в это — трудно. Первые модели использовали упрощенную физику, продираясь сквозь квантовую природу реальных молекул. Более поздние симуляции добавили больше квантовых эффектов, но все же обошли фактические уравнения, необходимые для описания взаимодействия нескольких квантовых тел, которое слишком трудно рассчитать. Вместо этого они полагались на приближения, что повышало вероятность того, что весь этот сценарий окажется миражом в симуляции. Эксперименты, между тем, не могли создать необходимое давление и произвести достаточно тепла, чтобы расплавить это прочное вещество.

И когда все уже забросили эту затею, планетологи высказали собственные подозрения, что у воды может быть суперионная фаза льда. Примерно в то же время, когда эта фаза была впервые предсказана, зонд «Вояджер-2» отправился во внешнюю солнечную систему и обнаружил что-то странное в магнитных полях ледяных гигантов Урана и Нептуна.

Поля вокруг других планет Солнечной системы, по-видимому, состоят из строго определенных северного и южного полюса, без особой другой структуры. Похоже на то, как будто в них находятся стержневые магниты, выровненные по осям вращения. Планетологи связывают это с «динамо»: внутренними областями, где проводящие жидкости поднимаются и вращаются по мере вращения планеты, создавая огромные магнитные поля.

Напротив, магнитные поля, исходящие от Урана и Нептуна, выглядели более громоздкими и сложными, с более чем двумя полюсами. Они также не выравнивались близко к вращению своих планет. Один из способов добиться такого состоит в том, чтобы каким-то образом ограничить проводящую жидкость, ответственную за динамо, лишь тонкой внешней оболочкой планеты, вместо того, чтобы позволить ей проникнуть внутрь ядра.

Но идея о том, что эти планеты могут иметь твердые ядра, не способные генерировать динамо, не казалась реалистичной. Если бы вы пробурили эти ледяные гиганты, вы бы ожидали сперва столкнуться со слоем ионной воды, которая будет течь, проводить токи и участвовать в динамо. Кажется, что даже более глубокий материал, даже при более высоких температурах также будет жидкостью, но это наивно. У планетологов есть шутка о том, что недра Урана и Нептуна вообще не могут быть твердыми. Но оказалось, что могут.

Взрывной лед

Коппари, Милло и их команда собрали кусочки головоломки вместе.

В более раннем эксперименте, опубликованном в феврале 2018 года, физики получили косвенные доказательства существования суперионного льда. Они сжимали каплю воды комнатной температуры между заостренными концами двух ограненных алмазов. Когда давление поднялось примерно до гигапаскаля, что примерно в 10 раз больше, чем на дне Марианской впадины, воды превратилась в тетрагональный кристалл, лед-VI. На 2 гигапаскалях он перешел в лед-VII, более плотную, кубическую форму, прозрачную для невооруженного глаза, которая, как недавно обнаружили ученые, также существует в крошечных карманах внутри природных алмазов.

Такая вода нам привычна.

Затем, используя лазер OMEGA в Лаборатории лазерной энергетики, Милло и его коллеги нацелились на лед-VII, все еще зажатый между алмазными наковальнями. Когда лазер ударил по поверхности алмаза, он испарил материал вверх, по сути отбросив алмаз в противоположном направлении и отправив ударную волну через лед. Команда Милло обнаружила, что сверхсдавленный лед расплавился при температуре порядка 4700 градусов по Цельсию, как и ожидалось для суперионного льда, и что он проводил электричество, благодаря движению заряженных протонов.

После того, как прогнозы относительно объемных свойств суперионного льда подтвердились, новое исследование Коппари и Милло должно было подтвердить его структуру. Если вы хотите подтвердить кристаллическую природу, вам нужна дифракция рентгеновских лучей.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.

Их новый эксперимент пропустил лед-VI и лед-VII вообще. Вместо этого команда просто разбила воду между алмазными наковальнями лазерными выстрелами. Спустя миллиардные доли секунды, пока ударные волны проникали сквозь и вода начала кристаллизоваться в нанометровые кубики льда, ученые добавили еще 16 лазерных лучей, чтобы испарить тонкий кусок железа рядом с образцом. Получившаяся плазма залила кристаллизующуюся воду рентгеновскими лучами, которые затем дифрагировали от кристаллов льда и позволили команде различить их структуру.

Атомы в воде перестроились в давно предсказанную, но никогда ранее не виданную архитектуру, лед-XVIII: кубическую решетку с атомами кислорода на каждом углу и в центре каждой грани.

«Это настоящий прорыв», говорит Коппари.

«Тот факт, что существование этой фазы не является артефактом квантово-молекулярного динамического моделирования, а вполне реально — это очень радует», говорит Бове.

Что такое супер лед

И такого рода успешная перекрестная проверка как моделирования, так и настоящего суперионного льда предполагает, что конечная «мечта» исследователей физики материалов может быть вскоре достигнута. «Вы говорите мне, какие свойства материала вам нужны, мы идем к компьютеру и теоретически выясняем, какой материал и какая кристаллическая структура вам нужна», говорит Раймонд Джанлоз, ученый Калифорнийского университета в Беркли.

Новый анализ также намекает на то, что хотя суперионный лед действительно проводит некоторое электричество, он является рыхловатым, но твердым веществом. Он будет понемногу растекаться, но течь — нет. Таким образом, жидкие слои внутри Урана и Нептуна могут остановиться примерно на 8000 километрах вглубь планеты, где начнется огромная мантия зыбкого суперионного льда. Это ограничивает большинство действий динамо на меньших глубинах, учитывая необычные поля планет.

Другие планеты и луны Солнечной системы, вероятно, не располагают внутренними температурами и давлениями, которые позволили бы существовать суперионному льду. Но множество экзопланет размеров ледяных гигантов позволяют предположить, что это вещество — суперионный лед — будет распространен в ледяных мирах по всей галактике.

Конечно, ни одна планета не будет содержать одну только воду. Ледяные гиганты в нашей Солнечной системе также замешаны из метана и аммиака. Степень, в которой суперионное поведение на самом деле находит место в природе, «будет зависеть от того, существуют ли эти фазы, когда мы замешиваем воду с другими материалами», говорят ученые. Впрочем, суперионный аммиак также должен существовать.

Эксперименты продолжаются. Как думаете, узнаем ли мы однажды, что находится в центре крупнейших тел в нашей Солнечной системе? Поделитесь мнением в нашем чате в Телеграме.

Источник

Пятое агрегатное состояние — суперионная вода

Ученые из американской лаборатории Лоренс Фрайд со своими коллегами произвели компьютерный расчет пятого агрегатного состояния воды, и создали ее в условиях лаборатории. В фазовом суперионном состоянии кислородные атомы в воде замораживаются в решетке кристалла. Но атомы водорода остаются при этом подвижными, и путешествуют как в газе по всему кристаллу с большой скоростью.

Суперионное агрегатное состояние рассматривалось уже давно. Физики думали, что в подобном виде вода находится в недрах больших планет. Ее температура там достигает 1000 градусов, и давление 100 тысяч атмосфер. Ученый Фрайд пытался создать суперионную воду в лабораторных условиях, сжимая простую воду в алмазных наковальнях. При этом вода нагревалась инфракрасными лучами лазера.

Как проводились исследования

Снимая информацию о вибрации молекул, ученые могли видеть, как менялось их фазовое состояние на необычное явление. Однако, зафиксировав эту границу, ученые не смогли точно определить, что конкретно происходит на другой стороне. Для решения этого вопроса им был нужен суперкомпьютер, и машинное время продолжительностью одной недели. Команда ученых во главе с Фрайдом произвели расчет поведения молекул воды в данных условиях, и определили, что происходит их разрушение.

Атомы, образовавшие эти молекулы, на самом деле создают суперионное состояние. Это наиболее плотное, по сравнению со льдом, состояние, твердое как сталь, но не похоже на жидкость, лед или газ в нашем мировоззрении. По мнению ученых, высокая электрическая проводимость суперионной воды может отвечать за магнитные поля большой мощности на Нептуне и Уране.

Мнение ученых по суперионной воде

Ученые считают, что такое состояние воды сложно представить. Можно считать, что в таком состоянии создается фиксированная решетка кристалла, состоящая из атомов кислорода. При этом атомы водорода свободно двигаются в воде. Если суперионную воду разместить на Земле в наши обычные условия, то произойдет взрыв. Однако на гигантских планетах она будет прочная, и может от нагревания светиться ярко-желтым свечением.

Исследователь Рассел Хэмли считает, что эта работа вызывает любопытство, а факт того, что математические исследования были закреплены экспериментом, позволяет считать, что это явление правдоподобно. Этот ученый занимается проблемами химии повышенных давлений в лаборатории геофизики института Карнеги в Англии.

При этом ученый считает, что хотелось бы увидеть непосредственные доказательства существования пятого агрегатного состояния воды в условиях лаборатории, а именно в суперионном состоянии. С его точкой зрения согласен Лоренс Фрайд. Его группа в настоящее время проводит исследования над замером теплопроводности пятого агрегатного состояния формы воды. Это дает возможность лучше определить ее особенности.

Заключение

Если вода в суперионном состоянии и на самом деле есть на огромных планетах в Солнечной системе, то именно такое состояние воды необходимо считать самой распространенной. Кроме этого, вода в суперионном состоянии в теории должна обладать слишком большой электропроводимостью. Это может открыть природу магнитных полей большой мощности в гигантских планетах, как Нептун и Уран.

Источник

На Уране и Нептуне могут находиться океаны суперионной воды

Не зря самой далёкой планете Солнечной системы выпала честь носить имя бога океанов и морей — Нептуна: в недрах этого ледяного гиганта и его «брата» Урана были найдены огромные запасы воды! Однако не стоит сразу представлять себе тёмные воды этих далёких миров, где прячется всевозможная живность. Да, жидкости на них примерно в 50 000 раз больше, чем воды в мировом океане на Земле, но эта жидкость вовсе не такая, какую мы привыкли себе всегда представлять. Данным исследованием недр ледяных «братьев» занимаются учёные Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (LLNL), о чём сообщалось 23 сентября 2021 года в журнале Nature Physics.

Что же представляет из себя вода на Уране и Нептуне? Это суперионная жидкость, которая существует при чрезвычайно высоких температурах и давлениях. Уран и Нептун не имеют твёрдой поверхности и по мере приближения к центру этих планет температура и давление внутри них будут возрастать. Так, если в верхних слоях их неспокойных атмосфер, где бушуют ветры, средняя скорость которых может быть около 1 200 км/ч (а на Нептуне, порой, может доходить и до 2 100 км/ч), температура составляет около — 210 С, то вблизи ядра будет около 12 000 С, а давление составит 7-8 млн атмосфер! При погружении в глубины газовых гигантов, не знающих солнечного света, газы будут становиться всё плотнее и плотнее, а затем они сжимаются до такой степени, что переходят в жидкое состояние, и чем глубже вы будете погружаться в этот «океан», тем все больше он по своей консистенции будет напоминать желе, а в самих недрах это и вовсе металлическая «жидкость», сжатая невообразимым давлением настолько, что напоминает собой расплавленный металл.

Уран и Нептун имеют примерно одинаковый состав: 83±3% приходится на водород; 15±3% составляет гелий, 2,3% — метан и лёд (аммиачный, водяной, гидросульфидно-аммиачный, метановый). Суперионная жидкость находится под слоями газовой оболочки и жидкого водорода.

Состав суперионной жидкости схож с Н2О, но если атомы водорода в ней жидкие, то атомы кислорода – твердые на кристаллической решетке. Это состояние воды среднее между твердым и жидким, иногда его ещё называют горячим льдом, многие свойства которого ещё не изучены . Эта «вода» имеет большую электропроводность, благодаря которой, возможно, Уран и Нептун и имеют такие мощные магнитные поля.

Зачастую мы слышим фразу: «Где есть вода, значит, там и будет жизнь!» Получается, что Уран и Нептун, следуя этой логике, должны быть обитаемы, но в суперионных водах и даже льдах не найдётся хоть какая-то известная нам форма жизни. В такой «адской» среде не выживет ни одно земное существо, даже примитивное. Суперионный лед почти в 4 раза плотнее обычного льда. Подобное состояние вещества трудно себе вообразить. Так, температура в 1 000 — 2 000 С и невероятное давление не дают ему ни испаряться, ни затвердевать, это очень плотная жидкость, которая граничит с ещё более экзотической материей — металлическим водородом.

Таким образом, можно считать, что в состоянии суперионного льда (воды) создается фиксированная решетка кристалла, состоящая из атомов кислорода. При этом атомы водорода свободно двигаются в воде. Если суперионную воду разместить на Земле в наши обычные условия, то произойдет взрыв. Однако на гигантских планетах она будет прочная, и может от нагревания светиться ярким сиянием.

Если подобная экзотическая жидкость действительно содержится в Уране и Нептуне, то именно такое состояние воды можно считать самым распространенным во Вселенной. Чтобы узнать секреты этих двух планет, нужно отправить туда автоматические межпланетные станции. Однако, к сожалению, пока никаких подобных проектов не планируется.

Источник