Вода — найпоширеніша й найочевидніша речовина у світі, в якому ми еволюціонували. Вона покриває 71 відсоток планети, хоча становить лише 1/4400 загальної маси Землі. Тіло дорослої людини на 55, а то й на 60 відсотків складається з води, що становить близько 38–42 літрів.
Вода — універсальний розчинник для земного життя. Космос теж сповнений води: її знаходять у кометному льоді, хмарах, що утворюють зірки, або в атмосферах екзопланет. Якщо розглядати воду виключно як рідину, вона поводиться не так, як більшість інших рідин, пише джерело.
Коли вода замерзає, її щільність зменшується. У неї високий поверхневий натяг. Температура кипіння теж незвично висока. З огляду на молекулярну масу за кімнатної температури вона мала б бути газом. Достатньо трохи змінити тиск і температуру — і поведінка води стає ще більш незвичайною.
Вчені з французьких та європейських дослідницьких інститутів продемонстрували одну з найдивніших відомих форм льоду. Вона утворюється під тиском 2,3 мільйона атмосфер і за температури 2630 кельвінів (2357 °C).
- тиск понад у 2000 разів вищий, ніж на дні Маріанської западини;
- це 64 % тиску в центрі Землі;
- 2630 кельвінів — майже половина температури поверхні Сонця.
Інтуїтивно очікується, що за високої температури вода має стати газом або частково розпастися на атоми кисню та водню. За астрономічних тисків глибоко всередині планет відбувається інше.
Суперіонний лід і надра крижаних гігантів
Коли вода переходить із рідкого стану в пару, вона збільшує об’єм. Під тиском у мільйони атмосфер таке розширення зупиняється. Тоді вода може лишатися надзвичайно щільною й набувати екзотичних форм, несхожих на лід на поверхні Землі.
Одна з таких форм — суперіонний лід. Це стан речовини, який не є ані повністю твердим, ані повністю рідким. Атоми кисню залишаються нерухомими в жорсткій кристалічній решітці. Ядра водню стають рухомими й переміщуються крізь решітку подібно до частинок у рідині. Невелика зміна умов може змусити атоми кисню утворити окремі кристалічні фази.
Відомо понад двадцять різновидів водяного льоду, і частина з них в екстремальних умовах переходить у суперионний стан. Дослідники постійно відкривають нові. Суперіонний лід, ймовірно, знаходиться глибоко всередині Урана та Нептуна. Його нетипова природа може впливати на своєрідні магнітні поля обох планет.
Команда під керівництвом фізика Алексіса Форестьє з французької Комісії з альтернативної енергії та атомної енергії стискала невеликі зразки води між лезами з алмазів до 230 гігапаскалів, тобто в 2,3 мільйона разів більше за земний атмосферний тиск на рівні моря, і нагрівала їх лазерами до температур близько тисячі градусів.
Зміни структури відстежували точним пучком рентгенівського випромінювання з синхротрона. Він виявив структуру, раніше передбачену лише теоретично: лід із гексагональною щільною упаковкою (hcp). Те, як кристал hcp розширювався під час нагрівання, вказувало на ознаки суперіонного стану. Перехід припускають при температурі, близькій до 1700 кельвінів.
Раніше відомий суперионний лід мав гранецентричну кубічну структуру (fcc). Новий лід hcp відрізняється порядком розташування шарів атомів кисню. Знання про властивості льоду hcp обмежені, бо його відкрили недавно. Вчені пропонують теоретичні дослідження механічних властивостей і електропровідності, а також нові експерименти для точного діапазону тисків і температур, у якому структура HCP лишається стабільною порівняно з fcc.
