Изучая поведение воды при очень высоком давлении, команда из Университета Невады в Лас-Вегасе (UNLV) обнаружила новую форму льда, названную Ice-VIIt, расположение атомов которой никогда ранее не наблюдалось. Исследователи считают, что эта форма твердой воды может быть особенно многочисленной в коре и верхней мантии некоторых экзопланет, которые, таким образом, могут иметь больший потенциал для обитаемости.
В жидкой воде, хотя молекулы воды подвижны, каждая из них постоянно окружена четырьмя другими молекулами воды (четыре атома кислорода образуют тетраэдр). При атмосферном давлении ниже 0 °C жидкая вода переходит в твердое состояние: эта «обычная» форма льда принимает гексагональную кристаллическую структуру, в которой атомы водорода неупорядочены; эта разновидность льда называется Лёд Ih. Это лед, который образуется в наших морозильных камерах или выпадает в виде града или снежинок. Его плотность ниже, чем у воды.
Но в зависимости от температуры и давления вода может образовывать несколько других форм твердых тел (см. схему ниже), которые являются более или менее стабильными. Ученые уже определили более двадцати форм льда. В частности, под высоким давлением существует более десяти кристаллических форм (известных как лёд или лёд II, III, IV и т.д.). В отличие от известного нам стандартного льда, эти льды характеризуются более высокой плотностью, чем соответствующая жидкая вода — а это значит, что кубики льда, сделанные именно из этого льда, опустились бы на дно стакана с водой.
Используя новый метод, предназначенный для измерения свойств воды при высоком давлении, исследователи из лаборатории экстремальных условий Невады UNLV наблюдали новый переход водяного льда, расположенный между уже известной ледяной фазой VII и ледяной фазой X. Чтобы получить эту новую форму, команда под руководством Закари Гранде поместила образец воды в ячейку алмазной наковальни — устройство, позволяющее подвергать материал экстремальным давлениям и температурам, при этом образец нагревался инфракрасным лазером до 4000 К.
Образец сжимали между двумя алмазами, пока он не замерзал в несколько смешанных кристаллов льда. Затем они временно растопили этот лед с помощью лазера, и он быстро затвердел, превратившись в крошечные кристаллы, похожие на порошок. Они повторяли процесс, постепенно повышая давление, периодически плавя лед лазером и наблюдая за тем, как он перекристаллизовывался — атомы кислорода и водорода каждый раз располагались по-разному.
Так они наблюдали, как лед переходит из известной кубической фазы (лед VII) в невиданную ранее структуру тетрагональной симметрии, обозначенную как лед VIIt, прежде чем стабилизироваться в другой известной фазе (лед X). Переход к льду VIIt наблюдался при 5,1 ± 0,5 ГПа, сообщают исследователи в .
Лед VII был впервые синтезирован в 1937 году и наблюдался в естественном состоянии в 2017 году в виде включений в алмазах, добытых в Ботсване — эти включения образовались в мантии Земли в виде жидкой воды, которая кристаллизовалась по пути к поверхности. Это простая кубическая фаза, в которой положения атомов водорода неупорядочены. Лед X, также наблюдаемый при высоком давлении, имеет центрированную кубическую структуру.
Лед, который может быть распространен на некоторых экзопланетах
В фазе льда VIIt кубическая решетка льда VII растягивается вдоль одного из своих векторов так, что структура расширяется до прямоугольного расположения, а затем в конечном итоге стабилизируется в симметричном и полностью упорядоченном кубическом расположении льда X.
Попутно команда также обнаружила, что переход в фазу X происходит при гораздо более низком давлении (почти в три раза ниже!), чем ожидалось: переход симметризации водородной связи произошел при давлении 30,9 ± 3 ГПа, отмечают они.
Этот конкретный переход был предметом дебатов среди физиков в течение нескольких десятилетий — предыдущие исследования определяли давление этого перехода между 40 и 120 ГПа. «Работа Зака показала, что это преобразование в ионное состояние происходит при гораздо, гораздо более низких давлениях, чем считалось ранее. Это недостающая часть и самые точные измерения воды в таких условиях«, — говорит физик из UNLV Ашкан Саламат.
Учитывая условия, необходимые для его образования, лед VIIt не может наблюдаться на поверхности Земли. Однако исследователи считают, что он может быть относительно распространен в мантии Земли, а также на крупных спутниках и богатых водой планетах за пределами нашей Солнечной системы. Таким образом, это открытие ставит под сомнение потенциальную обитаемость некоторых экзопланет.