В ходе исследования поведения воды под высоким давлением исследователи из Университета Невады в Лас-Вегасе выявили новую форму льда, получившую название Ice-VII. tУчёные обнаружили структуру льда, расположение атомов которой не встречалось ранее. По мнению исследователей, эта форма твердой воды может быть очень распространена в коре и верхней мантии некоторых экзопланет, которые, следовательно, могут иметь большую возможность для обитаемости.
Хотя молекулы воды подвижны в жидкой воде, 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.
Температура и давление влияют на формы твердых тел воды, которые могут быть различными по стабильности. Ученые обнаружили более двадцати форм льда. Под высоким давлением существует более десяти кристаллических форм (известных как лёд или лёд II, III, IV и так далее). Эти льды отличаются от обычного льда большей плотностью, чем у жидкой воды, поэтому кубики из такого льда опустились бы на дно стакана с водой.
Исследователи из лаборатории экстремальных условий UNLV в Неваде, применяя новый метод измерения свойств воды под высоким давлением, обнаружили переход водяного льда между уже известными фазами VII и X. Команда под руководством Закари Гранде поместила образец воды в ячейку алмазной наковальни, подвергнув его экстремальным давлениям и температурам. Образец нагревался инфракрасным лазером до 4000 К.
Образец сжимали между двумя алмазами до тех пор, пока он не замерзал в несколько смешанных кристаллов льда. Затем временно растопили этот лед лазером, и он быстро затвердел, превратившись в крошечные кристаллы, похожие на порошок. 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.
Наблюдая за процессом, специалисты увидели превращение льда из привычной кубической формы (лёд VII) в новую, ранее неизвестную структуру с тетрагональной симметрией, получившую название лёд VII. tПрежде чем стабилизироваться в другом известном состоянии (лёд Х), происходит переход к льду VII. t наблюдался при 5,1 ± 0,5 ГПа, сообщают исследователи в .
Лед VII был впервые синтезирован в 1937 году и обнаружен в естественном виде в 2017 году в виде включений в алмазах из Ботсваны. Включения образовались в мантии Земли в виде жидкой воды, которая кристаллизовалась при подъёме к поверхности. Это простая кубическая фаза, где положения атомов водорода неупорядочены. Лед X, также встречающийся при высоком давлении, обладает центрированной кубической структурой.
На некоторых экзопланетах возможно наличие льда.
В фазе льда VIItКубическая решетка льда VII удлиняется вдоль вектора, переходя к прямоугольному расположению. В результате структура стабилизируется в симметричном и полностью упорядоченном кубическом расположении льда X.
В ходе работы команда выяснила, что переход в фазу X происходит при гораздо более низком давлении (почти в три раза меньше!), чем предполагалось: переход симметризации водородной связи произошел при давлении 30,9 ± 3 ГПа.
Этот переход обсуждался физиками много лет — раньше его давление измеряли от 40 до 120 ГПа. Исследование Зака продемонстрировало, что переход в ионное состояние реализуется при значительно более низком давлении, чем предполагалось раньше. Это открытие, а также наиболее точные измерительные данные о воде в подобных условиях, являются недостающим звеном — говорит физик из UNLV Ашкан Саламат.
Учитывая условия, необходимые для его образования, лед VIItНе наблюдается на поверхности Земли. Исследователи полагают, что он может быть относительно распространен в мантии Земли, а также на больших спутниках и планетах с обильным количеством воды за пределами нашей Солнечной системы. Открытие ставит под сомнение потенциальную обитаемость некоторых экзопланет.