RW Space

Потребовался один из самых мощных лазеров на планете, но ученые сделали это. Они подтвердили существование «суперионного» горячего льда — замерзшей воды, которая может оставаться твердой при тысячах градусах по Цельсию.

Эта причудливая форма льда возможна из-за огромного давления, и результаты эксперимента могут пролить свет на внутреннюю структуру гигантских ледяных планет, таких как Уран и Нептун.

На поверхности Земли температура кипения и замерзания воды изменяется незначительно. Но оба эти изменения состояния происходят по прихоти давления (вот почему температура кипения воды ниже на больших высотах).

В космическом вакууме вода не может существовать в жидкой форме. Она мгновенно кипит и испаряется даже при -270 градусах Цельсия — средней температуре Вселенной — перед сублимацией в кристаллы льда.

Но теоретически в условиях чрезвычайно высокого давления происходит обратное: вода затвердевает даже при очень высоких температурах. Ученые из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса впервые наблюдали такой процесс.

Они создали Лед VII – кристаллическую форму льда, при давлении, превышающем атмосферное в 30000 раз, и обстреляли его лазерами. Полученный лед имел проводящий поток ионов, а не электронов, поэтому он называется суперионным льдом.

Теперь исследователи подтвердили теорию с помощью последующих экспериментов. Они предложили новую форму под названием Лед XVIII.

В предыдущем эксперименте команда могла наблюдать только общие свойства, такие как энергия и температура; мельчайшие детали внутренней структуры оставались неуловимыми. Поэтому они разработали эксперимент с использованием лазерных импульсов и дифракции рентгеновских лучей, чтобы выявить кристаллическую структуру льда.

«Мы хотели определить атомную структуру суперионного льда», — говорит физик Федерика Коппари.

«Но учитывая экстремальные условия, при которых это неуловимое состояние вещества, по прогнозам, будет стабильным, сжатие воды до таких давлений и температур и одновременное получение снимков атомной структуры было чрезвычайно трудной задачей, которая требовала инновационного экспериментального подхода».

Сначала между двумя алмазными наковальнями помещается тонкий слой воды. Затем шесть гигантских лазеров использовались для генерации серии ударных волн с постепенно возрастающей интенсивностью при сжатии воды при давлении до 100-400 гигапаскалей, или от 1 до 4 миллионов раз, превышающего атмосферное давление Земли.

В то же время происходило увеличение температуры от 1650 до 2760 градусов по Цельсию (на поверхности Солнца 5505 градусов по Цельсию).

Этот эксперимент был разработан таким образом, чтобы вода замерзла при сжатии, но поскольку условия давления и температуры могли поддерживаться только в течение доли секунды, физики были уверены, что кристаллы льда будут образовываться и расти.

«Рентгенограммы, которые мы измерили, являются однозначной сигнатурой кристаллов плотного льда, образующихся при сверхбыстром сжатии ударной волной, демонстрирующих, что зарождение твердого льда из жидкой воды достаточно быстрое, чтобы его можно было наблюдать в наносекундном масштабе времени эксперимента», — сказал Коппари.

Эти рентгеновские лучи показали ранее невиданную структуру — кубические кристаллы с атомами кислорода в каждом углу и атомом кислорода в центре каждой грани.