Американский учёный, лауреат Нобелевской премии по физике 1946 года Перси Бриджмен, изучая поведение материй под высоким давлением, обнаружил пять различных кристаллических форм водяного льда.
Дальнейшие работы в этой области дали ещё более любопытные результаты: в 1988 году физики теоретически предсказали существование суперионной формы воды (superionic water).
В такое состояние она переходит при нагревании до нескольких тысяч градусов и под воздействием высокого давления (подобные условия царят на планетах-гигантах – Нептуне и Уране). Отличительная черта этой экзотической формы – наличие "подобных жидкости" ионов водорода, движущихся внутри "твёрдой" решётки кислорода.
Почти 30 лет суперионная вода существовала лишь в теории – в научных трудах и мечтах исследователей. И вот теперь команда из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса и других американских научных центров доказала на практике, что такая форма воды действительно существует.
Используя метод ударного сжатия, который позволяет создать давление в несколько миллионов атмосфер, специалисты выяснили, что получить интересующее их состояние воды можно при термодинамической температуре около 5000 Кельвинов (чуть меньше, чем на поверхности Солнца) и при давлении в 200 гигапаскалей.
Чтобы исследовать вещество, находящееся при заданных температуре и давлении, учёные использовали ячейки с алмазными наковальнями. Они работали с кубической модификацией льда под названием лёд VII – вода превратилась в такую форму при комнатной температуре и давлении 2,5 гигапаскаля.
Затем настало время ударного сжатия: для этого на лёд VII воздействовали лазерным излучением. Шесть мощных лучей лазера Omega-60 из Лаборатории лазерной энергетики Университета Рочестера обеспечили наносекундный импульс ультрафиолетового излучения. Лазеры ударили не по льду, а по одному из алмазов, между которыми он был зажат. Это привело к образованию мощных ударных волн: давление на образец выросло до нескольких сотен гигапаскалей. При этом лёд продолжали нагревать.
Команда использовала сложные методы измерения (интерферометрическую сверхбыструю велосиметрию и пирометрию), чтобы охарактеризовать оптические свойства суперионной воды и определить её термодинамические свойства в течение короткого эксперимента (у учёных было 10-20 наносекунд).
Ведущий автор исследования физик Мариус Мийо (Marius Millot) отмечает, что ради этих наносекунд его команда потратила два года на проведение измерений и ещё два на разработку методов анализа данных. Впрочем, значимость исследования сложно переоценить.
Во-первых, у учёных теперь есть важные данные о поведении молекул в экстремальных условиях. Как ожидается, в будущем подобные эксперименты позволят изучать специфические свойства материалов и, как следствие, манипулировать ими в интересах человечества.
Во-вторых, эта работа раскрывает новые перспективы перед астрофизиками, ведь, как уже упоминалось, Уран и Нептун, вероятно, имеют огромное количество экзотического водяного льда.
Планетологи убеждены, что эти планеты-гиганты состоят в основном из смеси углерода, водорода, кислорода и азота, а 65% их массы составляет вода, смешанная с аммиаком и метаном. Но, возможно, всё не совсем так и под тонким слоем жидкости находится мантия из суперионного льда. Зная больше о его свойствах и о внутренней структуре планет в принципе, специалисты смогут скорректировать цели для будущих миссий.
Авторы добавляют, что следующим шагом в их работе будет определение структуры кислородной решётки, в которую заключены ионы водорода. Также команда планирует использовать свои новые методы для исследования других форм материй и элементов, например, гелия, которым изобилуют Сатурн и Юпитер.
Больше подробностей об удивительном эксперименте можно узнать из статьи, опубликованной в издании Nature Physics.
К слову, ранее мы рассказывали о том, как исследователи заморозили воду при температуре кипения, а также о том, как новую форму льда породил сэндвич из графена и воды.
Кроме того, давление и температура превратили поваренную соль в химически невозможные формы.
