В окружающем нас мире вода может находиться в гораздо большеv количестве различных форм, чем привыкло считать большинство людей. И недавно ученым из Национальной лаборатории Аргонна (Argonne National Laboratory) удалось получить одну из самых причудливых и экзотических форм воды - так называемый "горячий черный лед", который может существовать в естественных условиях только где-то в глубинах газовых и ледяных планет, таких, как Уран и Нептун.
Эта форма (фазовое состояние) воды известна в науке под названием суперионный лед, который формируется в условиях чрезвычайно высоких давлений и температур. Молекулы воды распадаются на составные части, ионы кислорода и водорода, и ионы кислорода формируют кубическую кристаллическую решетку, внутри которой ионы водорода перемещаются вполне свободно. Такие особенности придают данной форме льда высокую электрическую проводимость, низкую плотность и достаточно темный цвет.
Изучение такой формы материи сопряжено с рядом трудностей. Возможность существования горячего черного льда была обоснована теоретически достаточно давно, в 1990-х годах начали появляться первые намеки в результатах различных экспериментов, но лишь в 2018 году ученым удалось получить первые образцы суперионного льда в лаборатории, которые просуществовали в течение долей секунды.
И лишь недавно ученым из Аргона удалось подобрать такие условия проведения экспериментов, при которых образцы суперионного льда сохраняют стабильность достаточно долгое время, позволяя провести их тщательное изучение. Как и в других подобных экспериментах, давление, необходимое для формирования суперионного льда, создается двумя алмазными наковальнями, а высокая температура получается за счет лазерного нагрева. И, наконец, источник высокоэнергетического рентгеновского излучения Advanced Photon Source (APS) использовался для съемки процессов, происходящих при формировании кристаллической структуры.
Исследования показали, что ученым действительно удалось получить суперионный лед. Первые образцы начали появляться при температуре между 627 и 1627 градусами Цельсия при давлении около 20 ГПа. Удивительным является то, что это давление намного ниже давления, при котором такой лед должен был начать формироваться с точки зрения теоретических моделей.
Получение стабильного суперионного льда в лаборатории имеет более практическое значение, нежели простое любопытство. Изучение этого фазового состояния воды позволят нам лучше понять процессы формировании газовых планет и, возможно, даже указать на места, где следует проводить целенаправленные поиски внеземных форм жизни. Если такие формы льда существуют в недрах гигантских ледяных планет, то мантии из суперионного льда могут являться источником магнитного поля планеты, подобного магнитному полю Земли.
Ученые уже планируют проведение череды экспериментов, в ходе которых свойства суперионного льда будут изучены более тщательно и будут определены точные числовые значения электрической проводимости, вязкости, плотности, стабильности и других неизвестных на сегодняшний день параметров этого материала. Более того, будут проведены дополнительные исследования, направленные на выяснение того, как будут изменяться свойства суперионного льда, если в исходной воде будут содержаться различные соли и минералы.
