Учёные сжали воду между двумя алмазами и узнали что происходит с водой в глубинах Нептуна

При огромном давлении атомы вещества обычно упаковываются всё плотнее, а его кристаллическая структура становится более симметричной. Однако вода, как выяснилось, способна нарушать эту закономерность. Американские учёные сжали её между двумя алмазами и обнаружили неожиданное изменение структуры льда, которое прежде удавалось предсказать только с помощью компьютерного моделирования.

Исследователи из Университета Невады в Лас-Вегасе поместили крошечную каплю воды между двумя алмазными наконечниками и постепенно увеличивали давление. В итоге оно превысило 222 гигапаскаля — примерно в 2,2 миллиона раз больше обычного атмосферного давления на поверхности Земли.

Такие экстремальные условия интересуют учёных не случайно. Сопоставимое давление может существовать в недрах ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун. Непосредственно исследовать глубины этих планет пока невозможно, поэтому физики пытаются воспроизвести отдельные особенности их внутренней среды в лаборатории.

При высоком давлении вода образует необычные разновидности льда, сильно отличающиеся по атомному строению от привычного нам замёрзшего вещества. Всего известно более 20 форм льда, и одна из них называется лёд-X.

Эта разновидность постепенно формируется при повышении давления. Примерно при 50 гигапаскалях атомы кислорода и водорода образуют особенно симметричную структуру. Казалось бы, при дальнейшем сжатии она должна сохранять симметрию или становиться ещё более упорядоченной.

Но эксперимент показал обратное. При давлении свыше 222 гигапаскалей кристаллическая структура льда стала менее симметричной: расположение атомов изменилось, а сама решётка приобрела вытянутую, искажённую форму.

Увидеть эти изменения удалось с помощью рентгеновских лучей. Исследователи пропускали их через сжатый образец и анализировали характер рассеяния. По нему можно определить, как расположены атомы внутри вещества, даже если сам образец слишком мал для непосредственного наблюдения.

Подобное превращение ранее предсказывали теоретические расчёты, но теперь его впервые удалось обнаружить экспериментально. Более того, результаты позволяют предположить, что при достаточно сильном сжатии лёд-X переходит в другую структурную форму. Пока учёные не готовы утверждать, что открыли новую разновидность льда: для окончательного вывода потребуются дополнительные исследования.

Это открытие важно не только для изучения воды. Внутреннее строение далёких планет во многом приходится восстанавливать по косвенным данным. Учёные используют сведения космических аппаратов, включая «Вояджеры», и рассчитывают, как различные вещества должны вести себя при огромных давлениях и температурах.

Если структура воды в таких условиях оказывается иной, чем предполагалось, это может влиять на расчёты плотности планет, переноса тепла и процессов, связанных с формированием их магнитных полей. Кроме того, необычное поведение воды способно изменять её взаимодействие с другими веществами. Исследователи допускают, что в глубинах некоторых планет могут существовать соединения горных пород и металлов, не встречающиеся на Земле.

Впрочем, у эксперимента есть важное ограничение. Учёным удалось воспроизвести колоссальное давление, но не соответствующие температуры планетных недр. Поэтому обнаруженное превращение нельзя считать прямым доказательством того, что вода на Уране или Нептуне имеет точно такую же структуру.

Тем не менее исследование показывает, насколько необычным может становиться даже самое привычное вещество за пределами земных условий. А главное, теперь у учёных есть экспериментальные данные, которые помогут точнее моделировать внутреннее устройство далёких планет и понимать, что будущие космические аппараты могут обнаружить в их глубинах.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Communications Chemistry.