Ученые из Университета Невады в Лас-Вегасе обнаружили, что при экстремальном сжатии лед, вопреки ожиданию, может приобретать менее симметричную атомную структуру. Результаты исследования помогают понять, какие формы вода принимает в недрах ледяных гигантов — Урана и Нептуна. Работа опубликована в Communications Chemistry.
Исследователи получили свидетельства снижения симметрии структуры льда при давлении выше 222 гигапаскалей — более чем в два миллиона раз выше атмосферного давления на поверхности Земли.
Сжатие с неожиданным результатом
Обычно при сжатии вещества его объем уменьшается, а атомы сближаются. Во многих материалах это сопровождается переходом к более симметричному расположению атомов. Однако эксперименты показали, что вода в твердом состоянии способна вести себя иначе: под огромным давлением ее структура становится менее симметричной. По предположению исследователей, при снятии давления необычная структура перестроится в одну из более привычных земных форм.
«За пределами земных условий вода ведет себя сложнее, чем мы прежде представляли», — отметил руководитель исследования, физик Ашкан Саламат, директор университетской лаборатории экстремальных условий.
Открытие расширяет представления о возможных состояниях воды: привычное соединение H₂O может образовывать структуры, существенно отличающиеся от тех, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни.
Планетные условия между алмазами
Чтобы добиться необходимого давления, ученые сжимали образцы между двумя алмазами. В ходе опытов давление достигало примерно 35 миллионов фунтов на квадратный дюйм, или около 241 гигапаскаля. Для сравнения: давление в автомобильной шине обычно составляет около 30 фунтов на квадратный дюйм.
Образцы изучали спектроскопическими методами, а расположение атомов исследовали с помощью рентгеновского излучения. Такой подход позволяет в лаборатории воспроизводить отдельные условия, характерные для планетных недр, и проверять, как они влияют на вещество.
Что это расскажет об Уране и Нептуне
Уран и Нептун называют ледяными гигантами, однако это не означает, что внутри они состоят из привычного льда. В их недрах вода, аммиак и метан находятся под колоссальным давлением и при высоких температурах. Сведения о составе и внутреннем устройстве этих миров ученые получают из наблюдений, данных космических аппаратов и расчетных моделей.
Новые результаты помогут уточнять такие модели и лучше понимать свойства воды в экстремальных условиях. Пока изучать подобные превращения непосредственно внутри далеких планет невозможно, лабораторные опыты позволяют приблизиться к пониманию происходящих там процессов.