Jeden z najvýkonnejších laserov na svete nedávno v laserovom laboratóriu v Brightone v New Yorku zasiahol kvapku vody a vytvoril rázovú vlnu, ktorá zvýšila tlak v tejto vode na milióny atmosfér a teplotu na tisíce stupňov. Röntgenové lúče, ktoré prešli týmto poklesom v tom istom zlomku sekundy, ukázali ľudstvu prvý záblesk vody v takýchto extrémnych podmienkach. Ukázali, že voda vo vnútri rázovej vlny sa nestala prehriata kvapalina alebo plyn. Nie, voda je zamrznutá.
Atómy vody paradoxne zamrzli a vytvorili kryštalický ľad. Avšak, ako fyzici očakávali, mžoural na obrazovky vo vedľajšej miestnosti.
"Počujete výstrel a zároveň vidíte, že sa stalo niečo zaujímavé," hovorí Marius Millo z Livermore National Laboratory. Lawrence, ktorý uskutočnil experiment s Federica Coppari.
Čo sa stane s vodou pri vysokom tlaku a teplote?
Výsledky tejto práce uverejnenej tento týždeň v Prírode potvrdzujú existenciu „superionického ľadu“, novej fázy vody s bizarnými vlastnosťami. Na rozdiel od známeho ľadu, ktorý sa nachádza v mrazničke alebo na severnom póle, je superionický ľad čierny a horúci. Kocka tohto ľadu vážila štvornásobok obvyklej hmotnosti. Jeho existencia bola prvýkrát predpovedaná pred 30 rokmi, a hoci to nikdy predtým nebolo vidieť, vedci sa domnievajú, že to môže byť jeden z najhojnejších druhov vody vo vesmíre.
Dokonca aj v slnečnej sústave je väčšina vody pravdepodobne vo forme superionického ľadu - v útrobách Uránu a Neptúna. Je to viac ako tekutá voda v oceánoch Zeme, Európe a Enceladuse. Objav superionického ľadu by mohol vyriešiť staré záhady o zložení týchto „ľadových gigantov“.
Vedci už objavili osemnásť úžasných architektúr ľadových kryštálov, vrátane hexagonálneho usporiadania molekúl vody v bežnom ľade (Ih). Po ľade I, ktorý má dve formy, Ih a Ic, sú ostatné formy očíslované od II do XVII v poradí otvorenia. Áno, „ice-9“skutočne existuje, ale jeho vlastnosti nie sú vôbec rovnaké ako v románe Kurt Vonnegut „Cat's Cradle“.
Propagačné video:
Superionický ľad si môže nárokovať plášť Ice-XVIII. Toto je nový kryštál, ale v ňom je jedna vec. Všetky predtým známe vodné ľady sa skladajú z intaktných molekúl vody, v ktorých je jeden atóm kyslíka viazaný na dva atómy vodíka. Ale superionický ľad, ako ukazujú nové merania, nie je taký. Existuje v akejsi surreálnej končatine, napoly tuhej, napoly tekutej. Jednotlivé molekuly vody sa rozpadajú. Atómy kyslíka tvoria kubickú mriežku, ale atómy vodíka sa voľne rozlievajú a tečú ako tekutina cez rigidnú kyslíkovú bunku.
Odborníci tvrdia, že objav superionického ľadu odôvodňuje počítačové predpovede, ktoré by mohli pomôcť fyzickým fyzikom vytvoriť budúce látky s individuálnymi vlastnosťami. A objav tohto ľadu vyžadoval ultrarýchle merania a presnú reguláciu teploty a tlaku, čo bolo možné iba so zlepšením experimentálnych metód.
Fyzik Livia Bove z francúzskeho Národného centra pre vedecký výskum sa domnieva, že pretože molekuly vody sa rozkladajú, nejde o novú fázu vody. "Je to nový stav hmoty, čo je celkom pôsobivé."
Hádanky s ľadom
Fyzici lovia superionický ľad už mnoho rokov - odvtedy, čo primitívna počítačová simulácia Pierfranca Demontisa v roku 1988 predpovedala, že voda by zaujala tento podivný, takmer kovový tvar, ak by sa vytlačil mimo mapu známych ľadových fáz.
Modelovanie ukázalo, že pod silným tlakom a teplom sa molekuly vody ničia. Atómy kyslíka sú zachytené v kubickej mriežke a „vodík začína skákať z jednej pozície v kryštáli na druhú, znova a znova,“hovorí Millo. Tieto skoky medzi miestami mriežky sú také rýchle, že atómy vodíka - ktoré ionizujú, v podstate sa stávajú pozitívne nabitými protónmi - sa správajú ako kvapalina.
Bolo navrhnuté, že superionický ľad bude viesť elektrinu ako kov a vodík bude pôsobiť ako elektróny. Prítomnosť týchto voľných atómov vodíka tiež zvýši poruchu ľadu, jeho entropiu. Zvýšenie entropie zase spôsobí, že ľad bude stabilnejší ako iné typy ľadových kryštálov, v dôsledku čoho bude jeho teplota topenia stúpať.
Je ľahké si to všetko predstaviť, je ťažké tomu uveriť. Prvé modely používali zjednodušenú fyziku, brodili sa cez kvantovú povahu skutočných molekúl. Neskoršie simulácie pridali ďalšie kvantové efekty, ale stále obchádzali skutočné rovnice potrebné na opis interakcie viacerých kvantových telies, ktoré je príliš ťažké vypočítať. Namiesto toho sa spoliehali na aproximácie, ktoré zvýšili pravdepodobnosť, že celý tento scenár by sa v simulácii ukázal ako zázrak. Pokusy medzitým nemohli vytvoriť potrebný tlak a generovať dostatok tepla na roztavenie tejto silnej látky.
A keď už všetci opustili tento podnik, planetárni vedci vyjadrili svoje vlastné podozrenie, že voda by mohla mať superionickú fázu ľadu. Približne v tom istom čase, keď bola táto fáza prvýkrát predpovedaná, sonda Voyager 2 vstúpila do vonkajšej slnečnej sústavy a objavila niečo neobvyklé v magnetických poliach ľadových gigantov Urán a Neptún.
Polia okolo iných planét v slnečnej sústave sa javia ako zložené z dobre definovaných severných a južných pólov, bez osobitnej inej štruktúry. Vyzerá to, že obsahujú tyčové magnety zarovnané s osami rotácie. Planetológovia to spájajú s „dynamami“: vnútornými oblasťami, kde vodivé tekutiny stúpajú a otáčajú sa pri rotácii planéty, čím vytvárajú obrovské magnetické polia.
Naproti tomu magnetické polia vychádzajúce z Uránu a Neptúna vyzerali ťažkopádnejšie a zložitejšie s viac ako dvoma pólmi. Tiež sa nezarovnali blízko k rotácii ich planét. Jedným zo spôsobov, ako to dosiahnuť, je nejakým spôsobom obmedziť vodivú tekutinu zodpovednú za dynamo iba na tenkú vonkajšiu vrstvu planéty, namiesto toho, aby jej umožnila preniknúť do jadra.
Myšlienka, že tieto planéty môžu mať solídne jadrá, ktoré nedokážu generovať dynamá, sa však nezdala realistická. Ak ste vŕtali cez tieto ľadové giganty, očakávali by ste, že sa najprv stretnete s vrstvou iónovej vody, ktorá bude prúdiť, viesť prúdy a zúčastňovať sa dynama. Zdá sa, že aj hlbší materiál, aj pri vyšších teplotách, bude tiež tekutý, ale to je naivné. Planetárni vedci majú vtip, že vnútornosti Uránu a Neptúna nemôžu byť vôbec pevné. Ukázalo sa však, že môžu.
Trhací ľad
Coppari, Millo a ich tím dali skladačky dohromady.
V predchádzajúcom experimente uverejnenom vo februári 2018 fyzici získali nepriamy dôkaz o existencii superionického ľadu. Stlačili kvapku vody s izbovou teplotou medzi špicaté konce dvoch brúsených diamantov. Keď tlak stúpol na približne gigapascal, čo je asi 10-krát viac ako na dne priekopy Mariana, voda sa zmenila na tetragonálny kryštál, ľad-VI. Na 2 gigapascaloch sa pretvoril na ľad-VII, hustejší kubický tvar, ktorý je priehľadný pre otvorené oko, ktorý vedci nedávno objavili aj v malých vreckách vo vnútri prírodných diamantov.
Potom, pomocou lasera OMEGA v laboratóriu Laser Energy, sa Millo a jeho kolegovia zamerali na Ice-VII, stále medzi sendvičmi s diamantmi. Keď laser dopadol na povrch diamantu, odparil materiál nahor, v podstate hodil diamant opačným smerom a zaslal nárazovú vlnu cez ľad. Millov tím zistil, že super-stlačený ľad sa topil pri asi 4 700 stupňoch Celzia, ako sa očakávalo pri superionickom ľade, a že prostredníctvom pohybu nabitých protónov privádzal elektrinu.
Po potvrdení predpovedí o objemových vlastnostiach superionického ľadu mala nová štúdia Coppariho a Milla potvrdiť jeho štruktúru. Ak chcete potvrdiť kryštalickú povahu, potrebujete röntgenovú difrakciu.
Ich nový experiment úplne vynechal ľad-VI a ľad-VII. Namiesto toho tím jednoducho rozbil vodu medzi diamantovými kovadlinami laserovými strelami. O miliónty sekundy neskôr, keď nárazové vlny prenikli a voda začala kryštalizovať na kocky ľadu nanometra, vedci pridali ďalších 16 laserových lúčov na odparenie tenkého kúska železa vedľa vzorky. Výsledná plazma zaplavila kryštalizujúcu vodu röntgenovými lúčmi, ktoré sa potom rozptyľovali od ľadových kryštálov a umožnili tímu rozlíšiť ich štruktúru.
Atómy vo vode sa preskupili do dlho predpovedanej, ale nikdy predtým nevídanej architektúry, ľad XVIII: kubická mriežka s atómami kyslíka v každom rohu a v strede každej tváre.
A tento druh úspešnej krížovej validácie simulácií a skutočného superionického ľadu naznačuje, že konečný „sen“výskumníkov materiálovej fyziky sa môže čoskoro dosiahnuť. "Povedzte mi, aké materiálne vlastnosti potrebujete, ideme k počítaču a teoreticky zistíme, aký materiál a akú kryštálovú štruktúru potrebujete," hovorí Raymond Janlose, vedec z Kalifornskej univerzity v Berkeley.
Nová analýza tiež naznačuje, že zatiaľ čo superionický ľad vedie určitú elektrinu, je uvoľnený, ale pevný. Postupne sa rozšíri, ale nebude to tečať. Kvapalné vrstvy v Uráne a Neptúne sa tak môžu zastaviť asi 8 000 kilometrov vo vnútrozemí, kde sa začne obrovský plášť nestabilného superionického ľadu. Toto obmedzuje väčšinu dynamických akcií v plytších hĺbkach vzhľadom na neobvyklé polia planét.
Iné planéty a mesiace v slnečnej sústave pravdepodobne nemajú vnútorné teploty a tlaky, ktoré by umožňovali existenciu superionického ľadu. Avšak množstvo exoplanet, veľkosť ľadových gigantov, naznačuje, že táto látka - superionický ľad - bude distribuovaná v ľadových svetoch v celej galaxii.
Samozrejme, žiadna planéta nebude obsahovať vodu sama. Ľadoví obri v našej slnečnej sústave sú tiež zmiešaní s metánom a amoniakom. Rozsah, v akom sa superionické správanie skutočne nachádza v prírode „bude závisieť od toho, či tieto fázy existujú, keď zmiešame vodu s inými materiálmi,“tvrdia vedci. Musí však existovať aj superionický amoniak.
Experimenty pokračujú. Myslíte si, že jedného dňa zistíme, čo je v centre najväčších telies našej slnečnej sústavy?
Ilja Khel