Neseniai Lazerinės energijos laboratorijoje Braitone, Niujorke, vienas galingiausių pasaulyje lazerių pataikė į lašą vandens, sukurdamas smūgio bangą, kurios slėgis tame vandenyje pakilo iki milijonų atmosferų, o temperatūra - iki tūkstančių laipsnių. Rentgeno spinduliai, praėję pro šį lašą per tą pačią sekundę, žmonijai parodė pirmąjį vandens žvilgsnį tokiomis ekstremaliomis sąlygomis. Jie parodė, kad smūgio bangos viduje esantis vanduo netapo perkaitusiu skysčiu ar dujomis. Ne, vanduo užšalęs.
Paradoksalu, bet vandens atomai užšąla ir susidaro kristalinis ledas. Tačiau, kaip tikėjosi fizikai, gurkšnodamas prie kito kambario ekranų.
- „Salik.biz“
„Tu girdi šūvį ir tuo pačiu metu matai, kad nutiko kažkas įdomaus“, - sako Marius Millo iš Livermore nacionalinės laboratorijos. Lawrence'as, kuris atliko eksperimentą su Federica Coppari.
Kas nutinka aukšto slėgio ir temperatūros vandenyje?
Šio darbo, šią savaitę paskelbto „Nature“, rezultatai patvirtina „superjoninio ledo“, naujo vandens, turinčio keistas savybes, egzistavimą. Skirtingai nuo pažįstamo ledo, randamo šaldiklyje ar prie Šiaurės ašigalio, superioninis ledas yra juodas ir karštas. Šio ledo kubas svėrė keturis kartus daugiau nei įprastas svoris. Pirmą kartą jo egzistavimas buvo numatytas daugiau nei prieš 30 metų, ir nors jis dar niekada nebuvo pastebėtas, mokslininkai mano, kad tai gali būti vienas gausiausių vandens rūšių Visatoje.
Net Saulės sistemoje didžioji vandens dalis greičiausiai yra superjoninio ledo pavidalu - Urano ir Neptūno dubenyse. Žemės, Europa ir Enceladus vandenynuose jo yra daugiau nei skystas vanduo. Superioninio ledo atradimas galėtų išspręsti senas paslaptis apie šių „ledo gigantų“sudėtį.
Mokslininkai jau atrado aštuoniolika nuostabių ledo kristalų architektūrų, įskaitant šešiakampį vandens molekulių išdėstymą įprastame lede (Ih). Po ledo I, kuris yra dviejų formų, Ih ir Ic, likusios formos yra sunumeruotos nuo II iki XVII atidarymo tvarka. Taip, „ledas-9“iš tikrųjų egzistuoja, tačiau jo savybės visiškai nesiskiria nuo Kurto Vonneguto romano „Katės lopšys“.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Superioninis ledas gali pretenduoti į „Ice-XVIII“mantiją. Tai yra naujas kristalas, tačiau jame yra vienas dalykas. Visi anksčiau žinomi vandens ledai sudaryti iš nepažeistų vandens molekulių, kuriose vienas deguonies atomas yra sujungtas su dviem vandenilio atomais. Tačiau superioninis ledas, kaip rodo nauji matavimai, nėra toks. Jis egzistuoja tam tikroje siurrealistinėje galūnėje, pusiau kietoje, pusiau skystoje. Atskiros vandens molekulės suyra. Deguonies atomai sudaro kubinę gardelę, tačiau vandenilio atomai laisvai plinta, tekėdami kaip skystis per standų deguonies elementą.
Ekspertai sako, kad superioninio ledo atradimas pateisina kompiuterio prognozes, kurios galėtų padėti medžiagų fizikams ateityje sukurti medžiagas, turinčias individualias savybes. O šiam ledui atrasti reikėjo ypač greitų matavimų ir tikslaus temperatūros bei slėgio valdymo, o tai tapo įmanoma tik patobulinus eksperimentinius metodus.
Fizikė Livia Bove iš Prancūzijos nacionalinio mokslinių tyrimų centro mano, kad kadangi vandens molekulės suyra, tai nėra tiksliai nauja vandens fazė. "Tai yra nauja materijos būsena, kuri yra gana įspūdinga".
Lediniai galvosūkiai
Fizikai daugelį metų medžiojo superioninį ledą - nuo tada, kai 1988 m. Primityvus Pierfranco Demontis'o kompiuterinis modeliavimas numatė, kad vanduo įgis šią keistą, beveik metalinę formą, jei jis bus išstumtas iš žinomų ledo fazių žemėlapio.
Modeliavimas parodė, kad esant stipriam slėgiui ir karščiui, vandens molekulės sunaikinamos. Deguonies atomai yra įstrigę kubinėje grotelėje ir „vandenilis vėl ir vėl pradeda šokinėti iš vienos kristalo padėties į kitą“, - sako Millo. Šie šuoliai tarp gardelių vietų yra tokie greiti, kad vandenilio atomai - kurie jonizuoja, iš esmės tapdami teigiamai įkrautais protonais - elgiasi kaip skystis.
Buvo pasiūlyta, kad superioninis ledas elektra elgsis kaip metalas, o vandenilis veiks kaip elektronai. Šių laisvų vandenilio atomų buvimas taip pat padidins ledo sutrikimą, jo entropiją. Savo ruožtu padidėjus entropijai ledas taps stabilesnis nei kitų rūšių ledo kristalai, todėl jo lydymosi temperatūra pakils.
Nesunku visa tai įsivaizduoti, sunku tuo patikėti. Pirmuosiuose modeliuose buvo naudojama supaprastinta fizika, stebint kvantinę realių molekulių prigimtį. Vėlesni modeliavimai pridėjo daugiau kvantinių efektų, tačiau vis tiek apeidavo tikras lygtis, reikalingas apibūdinti kelių kvantinių kūnų sąveiką, o tai yra per sunku apskaičiuoti. Vietoj to, jie rėmėsi aproksimacijomis, kurios padidino tikimybę, kad visas šis scenarijus imituosis kaip miražas. Tuo tarpu eksperimentai negalėjo sukurti reikiamo slėgio ir sukurti pakankamai šilumos, kad ištirptų ši stipri medžiaga.
Ir kai visi jau atsisakė šios įmonės, planetų mokslininkai išsakė savo įtarimus, kad vanduo gali turėti superioninę ledo fazę. Maždaug tuo pačiu metu, kai pirmą kartą buvo numatytas šis etapas, zondas „Voyager 2“pateko į išorinę Saulės sistemą ir atrado kažką keisto ledo gigantų Urano ir Neptūno magnetiniuose laukuose.
Laukus aplink kitas Saulės sistemos planetas, atrodo, sudaro gerai apibrėžti šiaurės ir pietų poliai, neturintys jokios kitos struktūros. Panašu, kad juose yra juostų magnetai, suderinti su sukimosi ašimis. Planetologai tai sieja su „dinamo“: vidinėmis sritimis, kuriose laidūs skysčiai kyla ir sukasi planetai sukant, sukurdami didžiulius magnetinius laukus.
Priešingai, Urano ir Neptūno skleidžiami magnetiniai laukai atrodė sudėtingesni ir sudėtingesni, turintys daugiau nei du polius. Jie taip pat nesiartino prie savo planetų sukimosi. Vienas iš būdų tai padaryti yra laidus skystis, atsakingas už dinamą, kažkokiu būdu apriboti tik plonu išoriniu planetos apvalkalu, užuot leidus jam prasiskverbti į šerdį.
Tačiau mintis, kad šios planetos galėjo turėti tvirtus branduolius, kurie negalėjo generuoti dinamikos, neatrodė tikroviška. Jei gręžtumėtės per šiuos ledo gigantus, tikėtumėte, kad pirmiausia susidursite su joninio vandens sluoksniu, kuris tekės, praleis sroves ir dalyvaus dinamoje. Atrodo, kad ir gilesnė medžiaga, net esant aukštesnei temperatūrai, taip pat bus skysta, tačiau tai yra naivu. Planetos mokslininkai juokauja, kad Urano ir Neptūno žarnos išvis negali būti kietos. Bet paaiškėjo, kad jie gali.
Pūtęs ledas
„Coppari“, Millo ir jų komanda sudėjo dėlionės gabalus.
Ankstesniame eksperimente, paskelbtame 2018 m. Vasario mėn., Fizikai surinko netiesioginių įrodymų apie superioninio ledo egzistavimą. Jie išspaudė lašą kambario temperatūros vandens tarp smailių dviejų supjaustytų deimantų galų. Kai slėgis pakilo iki maždaug gigapaskalio, tai yra maždaug 10 kartų daugiau nei Marianos tranšėjos dugne, vanduo virto tetragonaliu krištolu, ledu-VI. Esant 2 gigapaskaliams, jis susimaišė su ledu-VII - tankesne, plika akimi permatoma kubine forma, kurią neseniai mokslininkai atrado, taip pat yra mažose kišenėse, esančiose natūralių deimantų viduje.
Tada, naudodamas OMEGA lazerį „Lazerinės energijos laboratorijoje“, Millo ir jo kolegos nusitaikė į „Ice-VII“, vis dar sumuštus tarp deimantinių kulnų. Kai lazeris smogė į deimanto paviršių, jis išgarino medžiagą į viršų, iš esmės išmesdamas deimantą priešinga kryptimi ir per ledą nukreipdamas smūgio bangą. Millo komanda nustatė, kad super suspaustas ledas ištirpo maždaug 4700 laipsnių Celsijaus temperatūroje, kaip buvo galima tikėtis superioninio ledo, ir kad jis praleido elektrą judėdamas įkrautais protonais.
Po to, kai buvo patvirtintos prognozės apie superioninio ledo tūrines savybes, naujas „Coppari“ir „Millo“tyrimas turėjo patvirtinti jo struktūrą. Jei norite patvirtinti kristalinį pobūdį, jums reikia rentgeno spindulių difrakcijos.
Jų naujas eksperimentas praleido ledus-VI ir ledus-VII. Vietoj to, komanda tiesiog lazeriu šovė į vandenį tarp deimantų kulnų. Po milijardo sekundės vėliau, kai smūgio bangos prasiskverbė ir vanduo pradėjo kristalizuotis į nanometrų ledo kubelius, mokslininkai pridėjo dar 16 lazerio spindulių, kad garintų ploną geležies gabalą šalia mėginio. Gauta plazma užtvindė kristalizuojantį vandenį rentgeno spinduliais, kurie tada išsiskyrė iš ledo kristalų ir leido komandai atskirti jų struktūrą.
Vandenyje esantys atomai persiorientavo į seniai numatytą, bet dar niekad nematytą, ledo-XVIII architektūrą: kubinę gardelę su deguonies atomais kiekviename kampe ir kiekvieno veido centre.
Ir toks sėkmingas kryžminis abiejų modeliavimų ir tikrojo superioninio ledo įteisinimas rodo, kad netrukus gali būti pasiekta galutinė medžiagų fizikos tyrinėtojų „svajonė“. „Jūs man pasakysite, kokių medžiagų savybių jums reikia, mes einame į kompiuterį ir teoriškai išsiaiškiname, kokios medžiagos ir kokios kristalų struktūros jums reikia“, - sako Kalifornijos universiteto Berkeley universitete mokslininkas Raymondas Janlosas.
Naujoji analizė taip pat nurodo, kad nors superioninis ledas šiek tiek praleidžia elektrą, jis yra laisvas, bet kietas. Jis pamažu išplis, bet neištekės. Taigi skysti sluoksniai Urano ir Neptūno viduje gali sustoti apie 8000 kilometrų vidaus vandenyse, kur prasidės didžiulė netvirto superjoninio ledo mantija. Tai riboja didžiausią dinamikos veiksmą seklesniame gylyje, atsižvelgiant į neįprastus planetų laukus.
Kitos Saulės sistemos planetos ir mėnuliai tikriausiai neturi vidinės temperatūros ir slėgio, kurie leistų egzistuoti superioniniam ledui. Tačiau daugybė egzoplanetų, kurių dydis yra ledo gigantai, rodo, kad ši medžiaga - superioninis ledas - bus paskirstyta ledo pasauliuose visoje galaktikoje.
Žinoma, nė vienoje planetoje nebus vien vandens. Ledo gigantai mūsų saulės sistemoje taip pat yra maišomi su metanu ir amoniaku. Tai, kiek superioninis elgesys iš tikrųjų atsiduria gamtoje, „priklausys nuo to, ar šios fazės egzistuoja, kai mes maišome vandenį su kitomis medžiagomis“, teigia mokslininkai. Tačiau superioninis amoniakas taip pat turi egzistuoti.
Eksperimentai tęsiami. Ar manote, kad vieną dieną sužinosime, kas yra didžiausių saulės sistemos kūnų centre?
Ilja Khel
