Физики создали новое странное состояние воды — «чёрный лёд»

Физикам удалось в эксперименте создать новое состояние воды, которое до этого было известно только гипотетически, пишет sciencealert.com. Новый материал проявил странные для воды свойства и оказался чёрным льдом.

Теоретически ученые знают о возможности существования экзотических форм льда уже давно. Но только недавно им, с использованием лазера и сверхвысоких давлений, удалось создать некоторые из наиболее экстремальных разновидностей в лаборатории.

Съемка капли воды одним из самых мощных лазеров в мире, возможно, не является очевидным способом изготовления кубика льда. Но это один из способов, по крайней мере, если нужен такой лед, который можно найти только глубоко внутри планет.

Новое исследование учёных из Чикагского университета и Вашингтонского института Карнеги в США, описывает способ получения такого льда и его свойства. Исследователи удерживали каплю воды в алмазной ручке, повышая давление и нагревая ее лазером, чтобы узнать, как она замерзает в «сверхзвуковом» состоянии. И получили известный ранее лишь теоретически «суперионный лёд».

Теоретически суперионный лед — это расположение молекул воды в виде решетки атомов кислорода, окруженной бассейном «беспокойных» водородов. Технически это лед, но по свойствам как жидкость и твердое вещество в одном.

Это такой вид льда, который образуется не столько при низких температурах, сколько при экстремальных давлениях.

Хотя теоретические модели предсказывали некоторые условия, при которых должна появиться эта фаза воды, они не давали точных температур.

В основе проблемы лежал вопрос о так называемой тройной точке — сочетании давления и температуры, при которых вещество находится на грани плавления, замерзания и сублимации.

Обычно пробу воды необходимо подвергнуть давлению не менее 50 гигапаскалей — в полмиллиона раз большему, чем мы испытываем в атмосфере Земли, а затем нагреть мощным лазером.

Когда команда физиков из Усовершенствованного источника фотонов Министерства энергетики (APS) приступила к сжатию воды в алмазных тисках с относительно умеренной скоростью 20 гигапаскалей, ученые не ожидали быстрого результата.

«Это было неожиданно — все думали, что эта фаза не появится, пока вы не окажетесь под гораздо более высоким давлением, чем там, где мы ее впервые обнаружили», — сказал геофизик Виталий Прокопенко из Чикагского университета. — «Но мы смогли очень точно отобразить свойства этого нового льда, который представляет собой новую фазу материи, благодаря нескольким мощным инструментам».

Имея образец суперионного льда, команда смогла использовать ускоритель APS для генерации пучка рентгеновских лучей; при рассеянии на образце льда эти рентгеновские лучи указывают положение его атомов. Это позволило им понять, когда вода претерпевала определенные фазовые переходы по мере изменения условий, и описать шаги, которые она предпринимает для превращения в суперионный лед.

Они смогли увеличить давление в своей алмазной наковальне и нагреть ее до 6500 градусов Кельвина, что позволило им отобразить стабильность двухфазных изменений льда при высоких температурах от 20 до 150 гигапаскалей.

Из-за того, как водороды перемещаются внутри экзотического льда, видимый свет с трудом проходит сквозь него, делая его внешний вид черным.

Это «жужжание» атомов водорода, проходящих через кислородную решетку, также может оказывать влияние на окружающее электромагнитное поле и, возможно, даже играть роль в формировании собственной защитной магнитосферы планеты.

Мы только начинаем понимать, как движение океанов нашей планеты и химический состав ее мантии оказывают тонкое влияние на магнетизм нашего мира. Изучение того, как экзотические льды тоже оказывают определенное влияние, может помочь нам в дальнейшей настройке наших моделей, говорят ученые.

«Это новое состояние материи, поэтому оно в основном действует как новый материал, и оно может отличаться от того, что мы думали», — подчеркнул Прокопенко.

Результаты исследования были опубликовано в журнале Nature Physics.

Поделитесь с друзьями!