Лед XIX: новая фаза воды, обнаруженная в недрах Урана и Нептуна

Вода одно из самых удивительных и разнообразных веществ в природе. Она может существовать в разных агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Но это не все: вода также может принимать разные формы внутри каждого состояния, которые называются фазами. Фазы воды определяются расположением и связями между атомами кислорода и водорода, из которых состоит молекула воды.


На Земле мы знакомы с одной фазой твердой воды — льдом I_h, который образует снег и град. Однако под давлением и при низких температурах вода может превращаться в другие фазы льда, которые имеют разную структуру и свойства. Некоторые из этих фаз льда были получены в лаборатории, другие — предсказаны теоретически, а третьи — обнаружены в космосе.

Одной из самых экзотических и загадочных фаз льда является лед XIX, который считается присутствующим в недрах ледяных гигантов Урана и Нептуна. Эти планеты имеют сложное строение, состоящее из разных слоев материи. Внешний слой — это облака из аммиака, метана и воды. Под ним находится мантия из жидкого водорода и гелия. А в самом центре — твердое ядро из силикатов и металлов.

Между мантией и ядром планет находится переходный слой, который называется ледяным слоем. Этот слой состоит из смеси воды, аммиака и метана под очень высоким давлением и температурой. Именно здесь, по предположению ученых, может существовать лед XIX.

Первые теоретические исследования о свойствах льда XIX было опубликовано в 2018 году группой ученых под руководством Томаса Лёртинга из Австрии. Исследователи сделали предположение о существовании второй фазы льда VI с упорядоченным распределением водорода и назвали ее бета-XV. Лед XIX впервые удалось наблюдать экспериментально в 2023 году группой исследователей из США, Германии и России. Для этого они использовали две уникальные установки: Matter at Extreme Conditions (MEC) и Linac Coherent Light Source (LCLS), расположенные на Стэнфордском ускорительном центре.

MEC — это инструмент, который позволяет создавать экстремальные условия давления и температуры с помощью мощных лазерных импульсов. LCLS — это рентгеновский лазер, который способен проникать сквозь материалы и изучать их структуру на атомном уровне.

Ученые направили лазерный импульс от MEC на образец воды, заключенный в алмазный тиснитель. Под действием лазера вода нагрелась до 5000 кельвинов и сжалась до давления 200 гигапаскалей, что соответствует двум миллионам земных атмосфер. Затем они осветили образец рентгеновским лучом от LCLS и зарегистрировали рассеянный сигнал.

Анализ данных показал, что вода превратилась в новую фазу льда — лед XIX. Эта фаза имеет объемноцентрированную кубическую решетку, в которой атомы кислорода расположены в вершинах и центрах граней куба, а атомы водорода — на случайных позициях между ними. Такая структура отличается от всех известных фаз льда, которые имеют гексагональную или тетрагональную решетку.

Лед XIX обладает необычными свойствами: он сверхгорячий, сверхплотный и сверхпроводящий. Он горячее, чем поверхность Солнца, плотнее, чем сталь, и проводит электричество лучше, чем металлы. Эти свойства объясняются тем, что атомы водорода движутся свободно по решетке, не образуя постоянных связей с атомами кислорода. Таким образом, лед XIX является ионно-координированным твердым телом с диссоциированными молекулами воды.

Лед XIX существует только в течение долей секунды, после чего он разрушается под действием рентгеновского излучения или теплового расширения. Однако ученые полагают, что он может быть стабилен в недрах Урана и Нептуна, где давление и температура достаточно высоки и постоянны. Там он может играть важную роль в формировании магнитных полей этих планет, которые сильно отклоняются от оси вращения и имеют сложную конфигурацию.

Открытие льда XIX — это большой прорыв в изучении физики воды и планетологии. Оно показывает, что вода может принимать еще более разнообразные формы, чем мы думали раньше. Оно также помогает нам лучше понять строение и эволюцию ледяных гигантов, которые являются одними из самых загадочных объектов в Солнечной системе.