Zinātnieki atklāj jaunu ledus formu temperatūrā virs 2000 grādiem

Ūdens ir viena no ikdienišķākajām un dzīvībai būtiskākajām vielām, tomēr tā īpašības būtiski atšķiras no vairuma citu šķidrumu. Sasalstot ūdens kļūst mazāk blīvs, tam ir neparasti augsts virsmas spraigums un viršanas temperatūra, bet pēc molekulmasas tas istabas temperatūrā drīzāk būtu sagaidāms kā gāze.

Pat šie savdabīgie novērojumi attiecas uz parastiem Zemes apstākļiem. Mainoties spiedienam un temperatūrai, ūdens uzvedība kļūst vēl neparastāka. Jaunā pētījumā zinātnieki demonstrējuši vienu no līdz šim dīvainākajām ledus formām pie spiediena līdz 230 gigapaskāliem jeb aptuveni 2,3 miljoniem atmosfēru un temperatūras līdz 2630 kelviniem — 2357 grādiem pēc Celsija.

Ledus, kurā cietais satiekas ar šķidro

Šādā temperatūrā ūdenim parasti vajadzētu būt gāzei, turklāt molekulas varētu daļēji sadalīties skābekļa un ūdeņraža atomos. Tomēr milzīgais spiediens, kāds iespējams planētu dziļienē, kavē ūdens izplešanos. Viela saglabājas ārkārtīgi blīva un var veidot eksotiskas struktūras, kas uz Zemes virsmas nav sastopamas.

Viena no tām ir superjoniskais ledus — stāvoklis, kas nav ne pilnībā ciets, ne pilnībā šķidrs. Skābekļa atomi paliek stingrā kristālrežģī, bet ūdeņraža kodoli pa šo režģi pārvietojas līdzīgi daļiņām šķidrumā. Ūdenim ir zināmas vairāk nekā 20 ledus fāzes, un dažas no tām ekstremālos apstākļos kļūst superjoniskas.

Pētījumu vadīja fiziķis Aleksis Forestjē no Francijas Alternatīvās enerģijas un atomenerģijas komisijas. Komanda nelielus ūdens paraugus saspieda starp dimantu galiem un ar lāzeriem uzkarsēja līdz tūkstošiem grādu. Salīdzinājumam — spiediens Zemes centrā ir aptuveni 360 gigapaskāli.

Lai noteiktu, kā mainās ledus kristālstruktūra, pētnieki izmantoja ārkārtīgi šauru sinhrotrona rentgenstaru kūli. Eksperimentos parādījās teorētiski paredzēta, bet iepriekš nepārprotami nenovērota konfigurācija — sešstūraini blīvi iepakots jeb hcp ledus.

Struktūra mainās, pieaugot spiedienam

Sildot hcp kristālu, tā izplešanās uzrādīja superjoniskam stāvoklim raksturīgas pazīmes. Pētnieki secināja, ka pāreja uz šo stāvokli notiek aptuveni pie 1700 kelviniem. Hcp apzīmējums attiecas uz skābekļa atomu izkārtojumu: tie sakārtoti blīvos slāņos, kas novietoti citā secībā nekā iepriekš zināmajā fcc jeb uz skaldnēm centrētajā struktūrā.

Eksperimenti liecināja, ka abas struktūras var pāriet viena otrā, slāņiem mainot novietojumu. Pie 155 gigapaskāliem un 2000 kelviniem rentgenstaru signāls bija fcc un hcp struktūru sajaukums. Pie 197 gigapaskāliem un 2250 kelviniem hcp pazīmes kļuva izteiktākas, bet pie 219 gigapaskāliem un 2630 kelviniem fcc signāls gandrīz izzuda un dominēja hcp struktūra.

Pārskatot iepriekšēja eksperimenta datus, zinātnieki atklāja, ka arī toreiz, iespējams, bija iegūts hcp ledus. Rentgenstaru difrakcijas pīķis, kas novērots pie spiediena virs 130 gigapaskāliem, iepriekš nebija identificēts, bet tagad tiek uzskatīts par hcp ledus pazīmi. Rezultāti liecina, ka virs aptuveni 200 gigapaskāliem šī struktūra var kļūt par stabilāko superjoniskā ledus izkārtojumu.

Atklājumam var būt nozīme Urāna un Neptūna izpētē, jo tiek uzskatīts, ka superjoniskais ledus pastāv šo ledus milzu planētu dziļienē. Ja hcp ledus elektrību vada citādi nekā fcc ledus, tas varētu mainīt priekšstatus par vielas un elektriskā lādiņa kustību planētu iekšienē — procesiem, kas saistīti ar to sarežģītajiem un nevienmērīgajiem magnētiskajiem laukiem.

Tomēr jaunās formas īpašības vēl nav zināmas. Tās izpētei nepieciešami papildu teorētiski aprēķini, īpaši par mehānisko plastiskumu un elektrisko vadītspēju, kā arī jauni eksperimenti, lai precīzi noteiktu apstākļus, kuros hcp ledus ir stabils salīdzinājumā ar fcc formu. Pētījuma rezultāti publicēti žurnālā Physical Review Letters.