Ултрагорещият суперйонен лед е ново състояние на материята
Ледът може да изясни мистериозните магнитни полета, принадлежащи на ледените светове. Учени притиснаха водна капчица сред два диаманта и по-късно я взривиха с един от най-мощните лазери в света, с цел да доближи до температури, присъщи за звездите. Резултатът е нова и мистериозна фаза на водата.
Наричана суперйонен лед, странната черна вода съществува при същите налягания и температури като тези в центъра на Земята – факт, който скоро може да помогне на откривателите да проучат тайните, заровени в ядрата на други светове.
Преди това откривателите използваха ударни талази, с цел да основат този чудноват лед единствено за 20 наносекунди, преди да се разтвори. Този нов опит бележи първия път, когато учените са основали постоянен суперйонен лед, който устоя задоволително дълго, с цел да бъде изследван в елементи. Изследователите разгласиха своите открития през октомври в списание Nature Physics.
„ Беше изненада – всички мислеха, че тази фаза няма да се появи, до момента в който не е под доста по-високо налягане от мястото, където я открихме за първи път “, споделя съавторът на проучването Виталий Пракапенка, геофизик от Чикагския университет и академик в Националната лаборатория в Аргон.
Течност, пара и лед са най-често срещаните етапи на водата, само че водните молекули могат да се утаят и в други подреждания, които съставляват разнообразни етапи. Всъщност учените са разпознали 20 етапи на воден лед – другите способи, по които обвързваните водородни и кислородни атоми могат да се натрупват при разнообразни температури и налягания.
Например, лед VI и лед VII имат молекули, които се подреждат надлежно в правоъгълни призми или кубчета. Ледът XI се обръща, в случай че е подложен в електрическо поле, а ледът XIX е нежен и единствено водородните му атоми образуват постоянен модел, написа Live Science.
Свръхгорещият и под високо налягане суперйонен лед е 18-тата фаза на леда и е една от най-странните до момента. Това е по този начин, тъй като кислородните му атоми се заключват на място, както биха били в твърдо вещество, само че водородните му атоми, откакто изоставят своите електрони, се трансформират в йони – атомни ядра, лишени от електроните си и затова позитивно заредени – които са свободни да текат през леда, като че ли са течност.
„ Представете си куб, решетка с кислородни атоми в ъглите, свързани с водород “, сподели Пракапенка. „ Когато се трансформира в тази нова суперйонна фаза, решетката се уголемява, позволявайки на водородните атоми да мигрират в близост, до момента в който кислородните атоми остават постоянни на своите позиции. Това е нещо като твърда кислородна решетка, ситуирана в океан от плаващи водородни атоми. “
Тези плуващи водородни атоми блокират прекосяването на светлината през леда, придавайки черния му тип.
Група, ръководена от професора по химия от университета в Сасари, Пиерфранко Демонтис, за първи път теоретизира съществуването на суперйонен лед през 1988 година, а откриватели от Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор в Калифорния откриха първите доказателства за това през 2018 година
Чрез взривяване на водна капчица с ударна вълна под високо налягане, генерирана от лазер, откривателите реализираха температурите и наляганията, нужни за мигновено появяване на суперйонен лед – и даже мериха електрическата проводимост на леда и видяха структурата му за няколко наносекунди (милиардни от секундата) преди суперйонният лед да се стопи.
За да създадат по-подробни измервания, Пракапенка и сътрудниците му трябваше да основат леда в по-стабилна форма. Така те изстискаха водната си капчица с 0,2-каратова диамантена наковалня и я взривиха с лазер. Твърдостта на диамантите разрешава на наковалнята да натисне капката до 3,5 милиона пъти атмосферното налягане на Земята и лазерът я нагрява до температури, по-горещи от повърхността на слънцето. След това, с устройство за ускорение на електрони, наречено синхротрон, екипът пусна рентгенови лъчи към капката. Чрез премерване на интензитета и ъглите на рентгеновите лъчи, които са разпръснати от атомите вътре в леда, откривателите разпознават структурата на суперйонния лед.
Този способ даде на откривателите по-дълъг интервал от време – в диапазон от микросекунда (милионна част от секундата), с цел да следят леда си, в сравнение с опитът с ударна вълна. Това в допълнение време означаваше, че те могат тъкмо да начертаят другите фазови преходи на водната капчица, до момента в който тя се трансформира в суперйонен лед.
По-нататъшното изследване може да помогне на учените да схванат по-добре свойствата на леда и да картографират изискванията, при които в природата пораждат разнообразни ледени етапи. Тъй като свободно плаващите водородни йони могат да основат магнитно поле, откривателите се чудят дали суперйонните ледове са заровени в ядрата на планети като Нептун и Уран, или са хванати в капан в замръзналите морета на спътника на Юпитер Европа, която има ледена кора. Ако е по този начин, ледовете биха могли да играят основна роля в индукцията на магнитосферите, които заобикалят тези светове, или извънземни светове отвън нашата слънчева система. Тъй като магнитосферите от своя страна са виновни за отбраната на планетите от нездравословна слънчева радиация и галактически лъчи, знанието по какъв начин и къде се образуват суперйонни ледови форми може да се трансформира в извънредно потребно управление за учени, търсещи извънземен живот.
Засега има доста повече свойства на новия лед за проучване, в това число неговата проводимост, вискозитет и химическа непоклатимост – решаваща информация за прогнозиране къде другаде може да се образува странният лед.
„ Това е ново положение на материята, тъй че всъщност работи като нов материал и може да е друго от това, което си мислехме “, споделя Пракапенка.
Публикувано в Live Science.
