Во что превращается вода под давлением в миллионы атмосфер: как суперионный лед объясняет магнитные поля планет-гигантов

Вода — одно из самых изученных веществ на Земле, но при выходе за пределы привычных атмосферных условий ее поведение полностью меняется. В недрах ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун, огромное гравитационное давление и экстремальные температуры трансформируют воду в состояние, не имеющее аналогов в повседневном опыте. Это суперионный лед.

Долгое время физика этого состояния описывалась лишь теоретическими моделями, но новая работа международной группы исследователей, опубликованная в журнале Nature Communications, предоставила первые прямые экспериментальные доказательства сложной внутренней структуры этого вещества. Оказалось, что суперионная вода устроена гораздо сложнее, чем предполагали существующие теории идеальных кристаллов.

Суперионное состояние: дуализм материи

В стандартном твердом теле (например, в обычном льду из морозилки) атомы кислорода и водорода жестко зафиксированы в узлах кристаллической решетки. В жидкости они хаотично движутся вместе.

Суперионное состояние — это фазовый переход, при котором вещество приобретает свойства одновременно твердого тела и жидкости. Атомы кислорода под воздействием давления выстраиваются в жесткую, неподвижную кристаллическую решетку, обеспечивая механическую прочность структуры. В то же время атомы водорода (протоны) покидают свои места и начинают свободно циркулировать сквозь кислородный каркас. Фактически, это твердая кислородная матрица, пронизанная потоком жидкого водорода. Именно эта особенность делает суперионный лед отличным проводником электричества, что особенно важно для понимания магнитных полей планет.

Однако до сих пор оставался открытым вопрос: как именно организована неподвижная кислородная решетка? Геометрия расположения атомов определяет плотность, вязкость и теплопроводность вещества. Без точного знания этой структуры невозможно построить корректные модели эволюции планет.

Конфликт кристаллических моделей

В физике конденсированного состояния упаковка атомов описывается типом кристаллической решетки. Для суперионной воды (фаза SI) рассматривались два основных кандидата:

1. Объемно-центрированная кубическая решетка (ОЦК). В этой модели атомы расположены в вершинах куба и один атом находится в самом центре. Это менее плотная упаковка.
2. Гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК). Здесь атомы находятся в вершинах куба и в центрах каждой грани. Это один из вариантов наиболее плотной упаковки сфер.

Ранее проведенные эксперименты давали противоречивые результаты. Статическое сжатие в алмазных наковальнях указывало на одни параметры, динамическое ударное сжатие — на другие. Теоретические расчеты также расходились: одни предсказывали стабильность ОЦК-структуры, другие настаивали на ГЦК. Проблема заключалась в том, что воспроизвести условия центра Урана (давление в миллионы атмосфер и температура в тысячи градусов) и одновременно сфотографировать положение атомов — задача на пределе технических возможностей человечества.

Эксперимент на фемтосекундных скоростях

Авторы нового исследования использовали самые мощные в мире источники рентгеновского излучения — лазеры на свободных электронах LCLS (США) и European XFEL (Германия). Эти установки работают как гигантские стробоскопы, позволяя фиксировать процессы, длящиеся квадриллионные доли секунды.

Методология эксперимента исключала случайности. Образец воды толщиной всего в несколько десятков микрометров помещался в специальную сборку между двумя алмазными пластинами. Затем на одну из сторон подавался мощный импульс оптического лазера. Это воздействие генерировало ударную волну, которая начинала циркулировать внутри образца, многократно отражаясь от алмазных стенок. Такая реверберация позволяла плавно и контролируемо повышать давление и температуру, избегая преждевременного перегрева.

В ходе эксперимента были достигнуты параметры давления до 180 гигапаскалей (примерно 1,8 миллиона земных атмосфер) и температуры около 3000 Кельвинов. В момент достижения этих условий сквозь образец пропускали сверхкороткий пучок рентгеновских лучей. Рентгеновское излучение, рассеиваясь на атомах кислорода, формировало дифракционную картину — уникальный узор, по которому можно однозначно восстановить положение атомов в пространстве.

Открытие смешанной структуры

Полученные данные показали, что реальность не укладывается в бинарный выбор между ОЦК и ГЦК решетками. При давлениях, превышающих 150 ГПа, суперионная вода формирует смешанную плотноупакованную структуру.

Анализ дифракционных картин выявил, что кислородная решетка преимущественно соответствует ГЦК-типу, но она не идеальна. В ней наблюдается огромное количество так называемых дефектов упаковки.

Чтобы понять это без метафор, нужно рассмотреть принцип построения кристалла. Атомные слои накладываются друг на друга в строгой последовательности. Для идеальной ГЦК-решетки эта последовательность описывается как ABC-ABC-ABC. Для другой плотной упаковки (гексагональной, ГПУ) последовательность иная: AB-AB-AB.

В суперионном льду эти последовательности перемешаны. Кристалл начинает расти как кубический, затем происходит сбой, и следует несколько слоев гексагональной упаковки, после чего структура снова возвращается к кубической.

Исследование показало, что вероятность такого сбоя в последовательности слоев составляет от 25% до 32%. Это означает, что «дефектность» — фундаментальное термодинамическое свойство суперионной воды при таких давлениях. Структура находится в состоянии так называемого стохастического (случайного) беспорядка.

Разрешение парадокса низких давлений

Помимо открытия смешанной фазы при высоких давлениях, ученым удалось прояснить ситуацию и в диапазоне более низких давлений (около 50 ГПа). Ранее разные научные группы получали здесь взаимоисключающие результаты: одни видели ОЦК-решетку, другие — ГЦК.

Новые данные с высоким временным разрешением показали, что в этом переходном диапазоне обе фазы сосуществуют. На фазовой диаграмме существует область, где термодинамические потенциалы обеих структур практически равны. Это приводит к тому, что в одном объеме вещества одновременно кристаллизуются и ОЦК, и ГЦК домены. Это открытие снимает многолетние противоречия в научной литературе, доказывая, что предыдущие исследователи были правы каждый по-своему — они просто наблюдали разные части одного сложного процесса.

Значение для планетарной физики

Понимание точной структуры суперионного льда напрямую влияет на моделирование внутренних процессов ледяных гигантов Солнечной системы и многочисленных экзопланет схожего типа.

1. Реология и вязкость. Кристаллическая решетка, насыщенная дефектами упаковки, обладает иными механическими свойствами, нежели идеальный кристалл. Дефекты облегчают пластическую деформацию. Это означает, что мантия Урана и Нептуна может быть менее вязкой и более текучей, чем считалось ранее.
2. Теплоперенос. Изменение структуры решетки влияет на фононный транспорт (передачу тепла колебаниями атомов). Смешанная структура рассеивает тепло иначе, что меняет наши представления о том, как планеты остывают и как тепло из ядра поступает к поверхности.
3. Генерация магнитного поля. Магнитные поля ледяных гигантов генерируются за счет движения проводящих слоев внутри планеты (эффект динамо). Поскольку суперионная вода является проводником, характер ее течения определяет конфигурацию магнитного поля. Уран и Нептун обладают странными, смещенными и наклоненными магнитными полями. Более точная модель вязкости суперионного льда, учитывающая структурный беспорядок, может стать ключом к объяснению этих аномалий.

Итог

Исследование демонстрирует, что материя в экстремальных условиях стремится к более сложным конфигурациям, чем простые идеальные кристаллы. Обнаружение стабильной смешанной структуры с дефектами упаковки в суперионной воде заставляет пересмотреть физические модели, используемые для описания недр планет. Мы получили доказательство того, что на атомарном уровне суперионный лед представляет собой динамичную систему, где порядок и хаос сосуществуют, определяя геофизику целых миров.

Источник: Nature Communications