Учёные из США впервые наблюдали в лаборатории, как вода меняет атомную структуру под давлением свыше 222 гигапаскалей. Такие условия могут существовать внутри планет вроде Урана и Нептуна, а результаты эксперимента помогут точнее интерпретировать данные телескопов и моделировать их внутреннее строение.
Давление, сравнимое с условиями на планетах-гигантах
Исследователи поместили микроскопическую каплю воды между двумя алмазными наконечниками и сжали её до давления более 222 ГПа — примерно в 2,2 млн раз выше давления, с которым мы сталкиваемся на поверхности Земли. Чтобы изучить изменения на атомном уровне, учёные использовали рентгеновскую дифракцию: они анализировали, как рентгеновские лучи рассеиваются при прохождении через образец.
Обычно можно ожидать, что при сближении атомов их расположение станет более симметричным. Однако в эксперименте произошло обратное: кристаллическая структура льда стала более несимметричной и вытянутой. Подобное превращение ранее предсказывали компьютерные модели, но теперь его, по данным авторов, впервые удалось наблюдать непосредственно в лаборатории.
«Вода в условиях, отличающихся от земных, ведёт себя сложнее, чем мы когда-либо представляли», — говорит физик Ашкан Саламат из Университета Невады в Лас-Вегасе.
Новые данные о льду-X
Эксперимент также расширяет представления о льде-X — одной из более чем 20 известных разновидностей льда. Он постепенно формируется в широком диапазоне давлений и примерно при 50 ГПа переходит в высокосимметричную структуру, если рассматривать расположение атомов кислорода и водорода.
Теперь исследователи получили представление о верхнем пределе устойчивости льда-X. При дальнейшем повышении давления образец приобрёл характеристики, похожие на ранее неизвестную структуру, однако для окончательного подтверждения этого вывода нужны дополнительные исследования. Авторы называют переход началом нового режима структурной сложности воды при высоком давлении.
Что это меняет в изучении планет
Изменение структуры воды может влиять на её способность проводить тепло, на формирование магнитных полей и на плотность планеты. Кроме того, если вода в таких условиях вступает в химические реакции иначе, чем на Земле, внутри планет могут образовываться соединения горных пород и металлов, не встречающиеся у нас.
В эксперименте воспроизводилось только давление, а не полный набор условий внутри Урана или Нептуна: температура в источнике не сопоставлялась с планетной. Тем не менее результаты дают более надёжную основу для моделей состава и внутреннего строения далёких миров. Исследование опубликовано в журнале Communications Chemistry.
