Nesen Lāzera enerģijas laboratorijā Braitonā, Ņujorkā, viens no pasaules jaudīgākajiem lāzeriem skāra ūdens pilienu, radot trieciena vilni, kas paaugstināja spiedienu šajā ūdenī līdz miljoniem atmosfēru un temperatūru līdz tūkstošiem grādu. Rentgena stari, kas tajā pašā sekundē izgāja cauri šim pilienam, parādīja cilvēcei pirmo ūdens skatienu šādos ekstremālos apstākļos. Viņi parādīja, ka šoku viļņa iekšpusē esošais ūdens nekļūst par pārkarsētu šķidrumu vai gāzi. Nē, ūdens ir sasalis.
Paradoksāli, bet ūdens atomi iesaldēja, veidojot kristālisku ledu. Tomēr, kā gaidīja fiziķi, čīkstēšana pie ekrāniem blakus istabā.
“Jūs dzirdat šāvienu un tajā pašā brīdī redzat, ka ir noticis kaut kas interesants,” saka Mariuss Millo no Livermoras Nacionālās laboratorijas. Lawrence, kurš veica eksperimentu ar Federica Coppari.
Kas notiek ar ūdeni ar augstu spiedienu un temperatūru?
Šī darba rezultāti, kas šonedēļ publicēti žurnālā Nature, apstiprina "superioniskā ledus" esamību - jaunu ūdens fāzi ar savādām īpašībām. Atšķirībā no pazīstamā ledus, kas atrodams saldētavā vai pie Ziemeļpola, superioniskais ledus ir melns un karsts. Šī ledus kubs svēra četras reizes parasto svaru. Pirmoreiz tā pastāvēšana tika prognozēta pirms vairāk nekā 30 gadiem, un, lai arī tā nekad agrāk nav bijusi redzama, zinātnieki uzskata, ka tas var būt viens no visbagātākajiem ūdens veidiem Visumā.
Pat Saules sistēmā lielākā daļa ūdens, iespējams, ir superioniska ledus formā - Urāna un Neptūna zarnās. Zemes, Europa un Enceladus okeānos to ir vairāk nekā šķidru ūdeni. Superioniskā ledus atklāšana varētu atrisināt vecos noslēpumus par šo “ledus gigantu” sastāvu.
Zinātnieki jau ir atklājuši astoņpadsmit pārsteidzošas ledus kristālu arhitektūras, ieskaitot ūdens molekulu sešstūrainu izvietojumu parastajā ledus (Ih). Pēc ledus I, kas nāk divās formās, Ih un Ic, pārējās formas ir numurētas no II līdz XVII atvēršanas secībā. Jā, "ice-9" faktiski pastāv, taču tā īpašības nepavisam neatšķiras no Kurta Vonnegūta romānā "Kaķa šūpulis".
Reklāmas video:
Superioniskais ledus var pretendēt uz Ice-XVIII apvalku. Tas ir jauns kristāls, taču tajā ir viena lieta. Visi iepriekš zināmie ūdens ledus sastāv no neskartām ūdens molekulām, kurās viens skābekļa atoms ir saistīts ar diviem ūdeņraža atomiem. Bet superioniskais ledus, kā liecina jaunie mērījumi, nav tāds. Tas pastāv sava veida sirreālās ekstremitātēs, daļēji cietā, pusšķidrā veidā. Atsevišķas ūdens molekulas sadalās. Skābekļa atomi veido kubveida režģi, bet ūdeņraža atomi izlīst brīvi, plūstot kā šķidrums caur stingru skābekļa šūnu.
Eksperti saka, ka superioniskā ledus atklāšana attaisno datoru prognozes, kas varētu palīdzēt materiālu fiziķiem nākotnē radīt vielas ar individuālām īpašībām. Un šī ledus atklāšanai bija nepieciešami īpaši ātri mērījumi un precīza temperatūras un spiediena kontrole, kas kļuva iespējama tikai uzlabojot eksperimentālās metodes.
Fiziķe Līvija Bove no Francijas Nacionālā zinātnisko pētījumu centra uzskata, ka ūdens molekulu sadalīšanās dēļ tas nav īsti jauns ūdens posms. "Tas ir jauns matērijas stāvoklis, kas ir diezgan iespaidīgs."
Ledus mīklas
Fiziķi daudzus gadus medīja superionisko ledu - kopš 1988. gada Pierfranco Demontes primitīvā datorsimulācija paredzēja, ka ūdens iegūs šo dīvaino, gandrīz metāla formu, ja to izstumj ārpus zināmo ledus fāžu kartes.
Modelēšana parādīja, ka spēcīgā spiedienā un karstumā ūdens molekulas tiek iznīcinātas. Skābekļa atomi ir ieslodzīti kubiskā režģī, un "ūdeņradis atkal un atkal sāk lēkt no vienas vietas kristālā uz otru," saka Millo. Šie lēcieni starp režģa vietām ir tik ātri, ka ūdeņraža atomi - kas jonizē, būtībā kļūstot par pozitīvi lādētiem protoniem - uzvedas kā šķidrums.
Ir ierosināts, ka superioniskais ledus vadīs elektrību tāpat kā metāls, un ūdeņradis darbosies kā elektroni. Šo brīvo ūdeņraža atomu klātbūtne arī palielinās ledus traucējumus, tā entropiju. Savukārt entropijas pieaugums padarīs ledu stabilāku nekā cita veida ledus kristāli, kā rezultātā tā kušanas temperatūra paaugstināsies.
To visu ir viegli iedomāties, tam ir grūti ticēt. Pirmajos modeļos tika izmantota vienkāršota fizika, izmantojot reālo molekulu kvantu raksturu. Vēlākās simulācijas pievienoja vairāk kvantu efektu, bet tomēr apieja faktiskos vienādojumus, kas nepieciešami, lai aprakstītu vairāku kvantu ķermeņu mijiedarbību, ko ir pārāk grūti aprēķināt. Tā vietā viņi paļāvās uz tuvinājumiem, kas palielināja varbūtību, ka viss šis scenārijs simulācijā izrādīsies mirāža. Tikmēr eksperimenti nevarēja radīt vajadzīgo spiedienu un radīt pietiekami daudz siltuma, lai izkausētu šo spēcīgo vielu.
Kad visi jau bija atteikušies no šī riska, planētu zinātnieki izteica savas aizdomas, ka ūdenim varētu būt ledus superioniska fāze. Aptuveni tajā pašā laikā, kad pirmo reizi tika prognozēta šī fāze, zonde Voyager 2 iegāja ārējā Saules sistēmā un ledus milžu Urāna un Neptūna magnētiskajos laukos atklāja kaut ko dīvainu.
Lauki ap citām Saules sistēmas planētām, šķiet, sastāv no skaidri noteiktiem ziemeļu un dienvidu poliem, kuriem nav īpašas citas struktūras. Izskatās, ka tie satur stieņu magnētus, kas ir saskaņoti ar rotācijas asīm. Planetologi to saista ar "dinamo": iekšējiem reģioniem, kur vadošie šķidrumi paceļas un griežas planētas rotācijas laikā, veidojot milzīgus magnētiskos laukus.
Turpretī magnētiskie lauki, kas izstaro no Urāna un Neptūna, izskatījās apgrūtinošāki un sarežģītāki, ar vairāk nekā diviem poliem. Viņi arī nelīdzējās savu planētu rotācijai. Viens veids, kā to izdarīt, ir kaut kā ierobežot vadošo šķidrumu, kas atbild par dinamo, tikai ar plānu planētas ārējo apvalku, tā vietā, lai ļautu tam iekļūt kodolā.
Bet ideja par to, ka šīm planētām varētu būt cieti kodoli, kas nevarētu radīt dinamiku, nešķita reālistiska. Ja jūs urbtu caur šiem ledus milžiem, jūs varētu sagaidīt, ka vispirms sastapsit jonu ūdens slāni, kas plūdīs, vadīs straumes un piedalīsies dinamo. Šķiet, ka arī dziļāks materiāls, pat augstākā temperatūrā, būs šķidrs, taču tas ir naivi. Planētu zinātniekiem ir joks, ka Urāna un Neptūna zarnas vispār nevar būt cietas. Bet izrādījās, ka viņi to var.
Pūš ledus
Coppari, Millo un viņu komanda salika puzles gabalus.
Iepriekšējā eksperimentā, kas tika publicēts 2018. gada februārī, fiziķi ieguva netiešus pierādījumus par superioniskā ledus esamību. Viņi izspieda pilienu istabas temperatūras ūdens starp divu sagrieztu dimantu smailiem galiem. Kad spiediens pieauga līdz apmēram gigapaskālam, kas ir apmēram 10 reizes vairāk nekā Marianas tranšejas apakšā, ūdens pārvērtās par tetragonālu kristālu, ledus-VI. Pie 2 gigapaskāļiem tas izveidojās ledus-VII - blīvākā, ar neapbruņotu aci caurspīdīgā, kubiskā formā, ko zinātnieki nesen atklāja, arī mazās kabatās dabisko dimantu iekšpusē.
Pēc tam, izmantojot OMEGA lāzeru Lāzera enerģijas laboratorijā, Millo un viņa kolēģi mērķēja uz Ice-VII, joprojām iestiprināti starp dimanta laktām. Kad lāzers skāra dimanta virsmu, tas iztvaicēja materiālu uz augšu, būtībā metot dimantu pretējā virzienā un caur ledu raidot trieciena vilni. Millo komanda atklāja, ka super saspiestais ledus kūst aptuveni 4700 grādos pēc Celsija, kā bija paredzēts superioniskajam ledam, un ka tas vadīja elektrību caur uzlādētu protonu kustību.
Pēc tam, kad tika apstiprinātas prognozes par superioniskā ledus lieluma īpašībām, Coppari un Millo jaunam pētījumam vajadzēja apstiprināt tā struktūru. Ja vēlaties apstiprināt kristālisko dabu, jums nepieciešama rentgenstaru difrakcija.
Viņu jaunajā eksperimentā pavisam pietrūka ledus VI un VII ledus. Tā vietā komanda vienkārši ar lāzera šāvienu sasmērēja ūdeni starp dimanta laktām. Miljardus sekundes vēlāk, kad trieciena viļņi iekļuva un ūdens sāka kristalizēties nanometru ledus gabaliņos, zinātnieki pievienoja vēl 16 lāzera starus, lai iztvaicētu plānu dzelzs gabalu blakus paraugam. Iegūtā plazma pārpludināja kristalizējošo ūdeni ar rentgena stariem, kas pēc tam difrakcijas laikā izdalījās no ledus kristāliem un ļāva komandai atšķirt to struktūru.
Atomi ūdenī ir pārkārtojušies ilgi prognozētajā, bet vēl nekad neredzētajā ledus-XVIII arhitektūrā: kubiskā režģī ar skābekļa atomiem katrā stūrī un katras sejas centrā.
Un šāda veida simulāciju un reālā superioniskā ledus veiksmīgā savstarpēja validācija liek domāt, ka drīzumā var sasniegt materiālu fizikas pētnieku galīgo “sapni”. "Jūs man sakāt, kādas materiāla īpašības jums ir vajadzīgas, mēs ejam pie datora un teorētiski izdomājam, kāds materiāls un kāda kristāla struktūra jums ir nepieciešama," saka Raimonds Janloze, Kalifornijas universitātes Bērklija zinātnieks.
Jaunā analīze arī norāda, ka superioniskais ledus patērē nedaudz elektrības, bet ir brīvs, bet ciets. Tas pakāpeniski izplatīsies, bet tas neplūst. Tādējādi šķidruma slāņi Urāna un Neptūna iekšienē var apstāties apmēram 8000 kilometru iekšzemē, kur sāksies milzīga nepastāvīga superioniska ledus mantija. Tas ierobežo lielāko dinamo darbību seklākā dziļumā, ņemot vērā neparastu planētu laukus.
Citām Saules sistēmas planētām un pavadoņiem, iespējams, nav iekšējās temperatūras un spiediena, kas ļautu eksistēt superioniskajam ledus. Bet lielais ledus gigantu izmēru eksoplanētu skaits liek domāt, ka šī viela - superioniskais ledus - tiks izplatīta ledus pasaulēs visā galaktikā.
Protams, nevienā planētā nebūs tikai ūdens. Ledus milži mūsu Saules sistēmā ir sajaukti arī ar metānu un amonjaku. Tas, cik lielā mērā superioniskā izturēšanās faktiski atrod vietu dabā, "būs atkarīgs no tā, vai šīs fāzes pastāv, ja mēs sajaucam ūdeni ar citiem materiāliem", saka zinātnieki. Tomēr jābūt arī superioniskajam amonjakam.
Eksperimenti turpinās. Vai jūs domājat, ka mēs kādu dienu uzzināsim, kas ir mūsu saules sistēmas lielāko ķermeņu centrā?
Iļja Khel