Суперионная вода что это
Учёные создали суперионный лёд, образующийся в недрах некоторых планет
Группа американских физиков во главе с профессором Чикагского университета Виталием Пракапенка (Vitali Prakapenka) впервые получила в лабораторных условиях суперионный лёд — состояние воды, при котором из ионов кислорода образуется жёсткая кристаллическая решётка, а ионы водорода по ней свободно перемещаются. Информация об этом была недавно опубликована в тематическом журнале Nature Physics.
Изображение: Yahoo! News
Ранее учёным лишь однажды удавалось получить суперионный лёд (т.н. Лёд XVIII) в лабораторных условиях. Это было сделано в ходе динамического эксперимента, в рамках которого зажатая в алмазных тисках капля воды подвергалась воздействию ударной волны, образованной с помощью лазера. В результате образовался суперионный лёд, который существовал всего несколько мгновений.
В новом эксперименте учёные выбрали другой подход. Они задействовали алмазные тиски для воспроизведения давления высокой интенсивности, сопоставимого с тем, что может наблюдаться в ядрах планет. Затем они применили синхротрон Advanced Photon Source для генерации ярких пучков рентгеновского излучения — это нужно для нагрева капли воды до экстремальных температур. В ходе эксперимента также было установлено, что для образования суперионного льда не требуется давление в 50 ГПа, как считалось ранее. Получить образец необычного материала удалось при давлении в 20 ГПа.
Изображение: Виталий Пракапенка
«Представьте себе куб, решётка которого содержит ионы кислорода по углам и ионы водорода между ними. Когда он переходит в новую суперионную фазу, решётка расширяется, позволяя ионам водорода перемещаться, в то время как ионы кислорода остаются на своих местах. Это похоже на твёрдую кислородную решётку, расположенную в океане плавающих атомов водорода», — прокомментировал эксперимент один из учёных.
Отмечается, что суперионный лёд существует не только на далёких планетах, но и на Земле. По мнению учёных он играет определённую роль в поддержании магнитного поля нашей планеты, защищающего поверхность Земли от космической радиации. У планет вроде Марса или Меркурия нет магнитного поля, из-за чего они подвержены агрессивному воздействию космической радиации и других факторов. Учёные считают, что изучение суперионного льда может сыграть важную роль в поиске планет, на которых может существовать жизнь.
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.
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.
Ученые воссоздали «суперионный лед», обнаруженный на некоторых планетах
Недавно группа ученых воссоздала в лаборатории горячий темный лед, известный как «суперионный». Эта работа необходима для понимания этой фазы воды, обнаруженной глубоко в некоторых планетах, таких как Уран и Нептун. Подробности исследования опубликованы в журнале Nature Physics.
Так называемый «суперионный лед» образуется при чрезвычайно высоких температурах и давлениях. Эти условия вызывают расщепление молекул воды на составляющие их ионы водорода и кислорода. Затем ионы кислорода организуются в кубическую сеть, вокруг которой свободно перемещаются ионы водорода. Это придает льду относительно высокую электропроводность и низкую плотность, а также темный цвет. Теория о такой фазе воды существовала десятилетиями, но только в 2019 году ученым впервые удалось получить суперионный лед в лаборатории.
Однако в то время результаты эксперимента длились лишь доли секунды. Недавно исследователям из Чикагского университета и Института Карнеги в Вашингтоне удалось сделать суперионный лед достаточно стабильным для более детального изучения.
В этой работе исследователи вдавили образец воды в ячейку алмазной наковальни в Аргоннской национальной лаборатории, а затем нагрели е с помощью лазеров. Наконец, мощный рентгеновский лазер (Advanced Photon Source или APS) был использован для получения изображения расположения атомов в образце, чтобы определить различные типы фаз, через которые прошел образец.
В конце эксперимента исследователи получили суперионный лед. Этот лед начал бы появляться при температуре от 627 °C до 1 627 °C и давлении 20 ГПа. Любопытно, что исследователи считали, что эта фаза появляется только при гораздо более высоких давлениях. Экспериментальная установка, производящая стабильный суперионный лед.
Тем не менее команда смогла очень точно отобразить свойства этого нового льда, который представляет собой новую фазу материи, используя несколько мощных инструментов. Однако для полного изучения этого суперионного состояния еще предстоит проделать большую работу. Такие свойства, как его проводимость, вязкость и стабильность, до сих пор остаются загадкой. Исследователям также интересно узнать, как этот лед может повести себя при смешивании с солями или другими минералами.
В конечном итоге все эти знания могут помочь ученым понять, как формируются и эволюционируют некоторые ледяные гиганты, такие как Уран и Нептун. Эти «суперионные ледяные мантии» могут даже генерировать свои магнитные поля.
Гелий облегчил переход воды в суперионное состояние
Liu et al. / Nature Physics, 2019
Ученые при помощи моделирования показали существование новых фаз соединения воды с гелием. Квантово-механическое моделирование из первых принципов указало на стабильность твердого вещества при высоких давлениях и температуре около 2000 кельвин, а также двух суперионных состояний при более высоких температурах. В одной из суперионных фаз ведут себя подобно жидкости как атомы водорода, так и гелия. Одна из этих форм должна сохраняться при близком к атмосферному давлению, пишут авторы в журнале Nature Physics.
Суперионное состояние — это особая фаза материи, которая одновременно проявляет некоторые свойства и твердого вещества, и жидкости. Классическим примером является существующая при высоких давлениях и температурах форма обычной воды — суперионный лед, также называемый лед XVIII. В этом соединении ионы водорода могут свободно перемещаться внутри кристаллической решетки, образованной атомами кислорода.
Суперионное состояние льда можно сравнить с обычным металлом, так как оно обладает почти такой же высокой проводимостью, только вместо электронов за ток отвечают ионы водорода. Его существование впервые было теоретически предположено около 40 лет назад, но лишь в 1990-х начали появляться первые экспериментальные подтверждения. Детальное строение кислородной кристаллической решетки этого вещества было получено методами рентгенографии совсем недавно.
С прикладной точки зрения изучение суперионного льда может способствовать развитию технологий накопления химической энергии. С химической точки зрения ионы водорода и лития похожи, поэтому суперионная проводимость и диффузия водорода представляет хорошую модель ионной проводимости в аккумуляторах.
Физики из Китая и Великобритании в новой работе теоретически исследуют свойства смеси гелия с водой при высоких давлениях. Мотивацией к такому выбору компонентов является распространенность гелия во Вселенной, в том числе в составе планет-гигантов, вроде Урана и Нептуна. Несмотря на положение в таблице Менделеева, гарантирующее гелию наивысшую химическую инертность, уже известно достаточно много его соединений с другими элементами, как правило, при очень высоких давлениях.
Для поиска стабильных структур авторы использовали подход из первых принципов, то есть опирались на фундаментальные физические выражения, такие как уравнение Шредингера, а не на приближенные методы. Оказалось, что фаза гидрата гелия HeH2O стабильна в диапазоне давлений от 2 до 8 гигапаскалей (20 — 80 тысяч атмосфер), а He2H2O — при 8 — 92 ГПа. Особая клатратная форма He(H2O)2, существование которой уже предполагалось в других работах, согласно результатам модели должна быть стабильна даже при близких к нормальному давлениях.
Составленная авторами по результатам работы фазовая диаграмма смеси воды и гелия
Ученые создали в лаборатории суперионный лед, образующийся в недрах других планет
Используя новый усовершенствованный источник рентгеновского излучения, ученые из Чикагского университета и Института Карнеги в Вашингтоне сумели воссоздать структуру суперионного льда, образующегося в центрах ледяных планет-гигантов, таких как Нептун и Уран. Статья об этом опубликована в журнале Nature Physics.
Суперионный лед, который также называют суперионной водой, или льдом XVIII, — это одна из многочисленных экзотичных форм воды, которых известно уже два десятка. Возможно, это наиболее распространенная из всех водных модификаций во Вселенной, так как она может образовываться внутри ледяных планет-гигантов, однако ряд исследователей все же предполагает, что наличие в составе планет некоторых других элементов, в особенности углерода, может воспрепятствовать образованию подобных агрегатных состояний.
При очень высоких давлении и температуре молекулы воды распадаются на ионы кислорода и водорода, причем кислород при этом выстраивается в подобие кристаллической решетки, а ионы водорода свободно перемещаются внутри нее, позволяя тем самым суперионной воде прекрасно проводить электричество, как и металлы. Экспериментальные доказательства существования суперионной проводимости наблюдались прежде лишь в динамических экспериментах, в то краткое мгновение, когда в зажатой в алмазных тисках водяной капле с помощью лазеров создавалась ударная волна. Это не позволяло надежно выявить структуру новой фазы, имеющей гранецентрированную кубическую симметрию. Однако теперь ученые нашли способ получать относительно стабильный суперионный лед, поддерживать его состояние и исследовать свойства.
Виталий Пракапенка, Николас Холтгрю, Сергей Лобанов и Александр Гончаров использовали для этого источник синхротронного излучения APS (Advanced Photon Source) ускорительного комплекса Аргоннской национальной лаборатории для генерации ярких пучков рентгеновского излучения, нагревающего и сжимающего образцы, помещенные в ячейку между алмазными наковальнями. Выяснилось, что нужное состояние льда возникает не при 50 ГПа, как предполагали ранее, а всего лишь при 20 ГПа, причем это состояние обратимое — в конце эксперимента образец вновь превращается в обычную воду. Полученный суперионный лед выглядит темным, поскольку он иначе, чем обычный лед, взаимодействует со светом, но полный набор его химических и физических свойств еще предстоит изучить.
Необычные свойства этого льда могут играть определяющую роль в генерации магнитных полей у ледяных гигантов, защищая их от энергичных заряженных частиц, подобно Земле, что поможет ученым в поисках жизни на таких планетах и их спутниках в других звездных системах.