Недавно в Лаборатории лазерной энергетики в Брайтоне, штат Нью-Йорк, один из самых мощных лазеров в мире ударил в каплю воды, создав ударную волну, которая подняла давление в этой воде до миллионов атмосфер, а температуру — до тысяч градусов. Рентгеновские лучи, которые прошли через эту каплю в ту же долю секунды, явили человечеству первый проблеск воды в таких экстремальных условиях. Они показали, что вода внутри ударной волны не стала перегретой жидкостью или газом. Нет, вода замерзла.

Как это ни парадоксально, атомы воды замерзли, образовав кристаллический лед. Впрочем, как и предполагали физики, щурящиеся на экраны в соседней комнате.

«Вы слышите выстрел и в тот же момент видите, что произошло нечто интересное», говорит Мариус Милло из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, который проводил эксперимент вместе с Федерикой Коппари.

Что происходит с водой при высоком давлении и температуре?

Результаты этой работы, опубликованной на этой неделе в Nature, подтверждают существование «суперионного льда», новой фазы воды с причудливыми свойствами. В отличие от знакомого вам льда, который можно найти в морозилке или на северном полюсе, суперионный лед черный и горячий. Кубик такого льда весил в четыре раза больше обычного. Впервые его существование было предсказано более 30 лет назад, и хотя его до сих пор никогда не видели, ученые считают, что он может быть одним из самых распространенных видов воды во Вселенной.

Даже в Солнечной системе большая часть воды, вероятно, находится в форме суперионного льда — в недрах Урана и Нептуна. Ее больше, чем жидкой воды в океанах Земли, Европы и Энцелада. Открытие суперионного льда могло бы решить старые загадки о составе этих «ледяных гигантов».

Ученые уже обнаружили восемнадцать изумительных архитектур ледяного кристалла, включая гексагональное расположение молекул воды в обычном льду (Ih). После льда-I, который бывает двух форм, Ih и Ic, остальные формы пронумерованы от II до XVII по порядку открытия. Да, «лед-9» на самом деле существует, но его свойства вовсе не такие, как в романе Курта Воннегута «Колыбель для кошки».

Суперионный лед может претендовать на мантию льда-XVIII. Это новый кристалл, но есть в нем одно но. Все ранее известные водяные льды состоят из неповрежденных молекул воды, в которых один атом кислорода связан с двумя атомами водорода. Но суперионный лед, как показывают новые измерения, не такой. Он существует в некоем сюрреалистическом лимбе, наполовину твердом, наполовину жидком. Отдельные молекулы воды распадаются. Атомы кислорода формируют кубическую решетку, но атомы водорода разливаются свободно, протекая, как жидкость, через жесткую клетку кислорода.

Специалисты говорят, что обнаружение суперионного льда оправдывает компьютерные прогнозы, которые могут помочь физикам-материаловедам создавать будущие вещества с индивидуальными свойствами. А обнаружение этого льда требовало сверхбыстрых измерений и точного контроля температуры и давления, что стало возможным лишь в условиях усовершенствования экспериментальных методов.

«Все это было невозможно сделать, скажем, пять лет назад», говорит Кристоф Зальцманн из Лондонского университетского колледжа, который открыл льды-XIII, -XIV и XV. «Это безусловно окажет огромное влияние».

Физик Ливия Бове из Национального центра научных исследований Франции считает, что поскольку молекулы воды распадаются, это не совсем новая фаза воды. «Это новое состояние вещества, что довольно впечатляюще».

Паззлы на льду

Физики охотились за суперионным льдом много лет — с тех пор, как примитивная компьютерная симуляция Пьерфранко Демонтиса в 1988 году предсказала, что вода примет эту странную, почти металлическую форму, если вытолкнуть ее за пределы карты известных ледяных фаз.

Моделирование показало, что под сильным давлением и теплом молекулы воды разрушаются. Атомы кислорода заключаются в кубическую решетку, а «водород начинает прыгать из одного положение в кристалле в другое, снова и снова», говорит Милло. Эти прыжки между узлами решетки настолько быстрые, что атомы водорода — которые ионизируются, превращаясь, по сути, в положительно заряженные протоны — ведут себя как жидкость.

Появилось предположение, что суперионный лед будет проводить электричество, как металл, и водород будет выполнять роль электронов. Наличие этих свободных атомов водорода также усилит беспорядочность льда, его энтропию. В свою очередь, увеличение энтропии сделает лед стабильнее, чем другие виды ледяных кристаллов, в результате чего его температура плавления вырастет.

Представить это все легко, поверить в это — трудно. Первые модели использовали упрощенную физику, продираясь сквозь квантовую природу реальных молекул. Более поздние симуляции добавили больше квантовых эффектов, но все же обошли фактические уравнения, необходимые для описания взаимодействия нескольких квантовых тел, которое слишком трудно рассчитать. Вместо этого они полагались на приближения, что повышало вероятность того, что весь этот сценарий окажется миражом в симуляции. Эксперименты, между тем, не могли создать необходимое давление и произвести достаточно тепла, чтобы расплавить это прочное вещество.

И когда все уже забросили эту затею, планетологи высказали собственные подозрения, что у воды может быть суперионная фаза льда. Примерно в то же время, когда эта фаза была впервые предсказана, зонд «Вояджер-2» отправился во внешнюю солнечную систему и обнаружил что-то странное в магнитных полях ледяных гигантов Урана и Нептуна.

Поля вокруг других планет Солнечной системы, по-видимому, состоят из строго определенных северного и южного полюса, без особой другой структуры. Похоже на то, как будто в них находятся стержневые магниты, выровненные по осям вращения. Планетологи связывают это с «динамо»: внутренними областями, где проводящие жидкости поднимаются и вращаются по мере вращения планеты, создавая огромные магнитные поля.

Напротив, магнитные поля, исходящие от Урана и Нептуна, выглядели более громоздкими и сложными, с более чем двумя полюсами. Они также не выравнивались близко к вращению своих планет. Один из способов добиться такого состоит в том, чтобы каким-то образом ограничить проводящую жидкость, ответственную за динамо, лишь тонкой внешней оболочкой планеты, вместо того, чтобы позволить ей проникнуть внутрь ядра.

Но идея о том, что эти планеты могут иметь твердые ядра, не способные генерировать динамо, не казалась реалистичной. Если бы вы пробурили эти ледяные гиганты, вы бы ожидали сперва столкнуться со слоем ионной воды, которая будет течь, проводить токи и участвовать в динамо. Кажется, что даже более глубокий материал, даже при более высоких температурах также будет жидкостью, но это наивно. У планетологов есть шутка о том, что недра Урана и Нептуна вообще не могут быть твердыми. Но оказалось, что могут.

Взрывной лед

Коппари, Милло и их команда собрали кусочки головоломки вместе.

В более раннем эксперименте, опубликованном в феврале 2018 года, физики получили косвенные доказательства существования суперионного льда. Они сжимали каплю воды комнатной температуры между заостренными концами двух ограненных алмазов. Когда давление поднялось примерно до гигапаскаля, что примерно в 10 раз больше, чем на дне Марианской впадины, воды превратилась в тетрагональный кристалл, лед-VI. На 2 гигапаскалях он перешел в лед-VII, более плотную, кубическую форму, прозрачную для невооруженного глаза, которая, как недавно обнаружили ученые, также существует в крошечных карманах внутри природных алмазов.

Затем, используя лазер OMEGA в Лаборатории лазерной энергетики, Милло и его коллеги нацелились на лед-VII, все еще зажатый между алмазными наковальнями. Когда лазер ударил по поверхности алмаза, он испарил материал вверх, по сути отбросив алмаз в противоположном направлении и отправив ударную волну через лед. Команда Милло обнаружила, что сверхсдавленный лед расплавился при температуре порядка 4700 градусов по Цельсию, как и ожидалось для суперионного льда, и что он проводил электричество, благодаря движению заряженных протонов.

После того, как прогнозы относительно объемных свойств суперионного льда подтвердились, новое исследование Коппари и Милло должно было подтвердить его структуру. Если вы хотите подтвердить кристаллическую природу, вам нужна дифракция рентгеновских лучей.

Их новый эксперимент пропустил лед-VI и лед-VII вообще. Вместо этого команда просто разбила воду между алмазными наковальнями лазерными выстрелами. Спустя миллиардные доли секунды, пока ударные волны проникали сквозь и вода начала кристаллизоваться в нанометровые кубики льда, ученые добавили еще 16 лазерных лучей, чтобы испарить тонкий кусок железа рядом с образцом. Получившаяся плазма залила кристаллизующуюся воду рентгеновскими лучами, которые затем дифрагировали от кристаллов льда и позволили команде различить их структуру.

Атомы в воде перестроились в давно предсказанную, но никогда ранее не виданную архитектуру, лед-XVIII: кубическую решетку с атомами кислорода на каждом углу и в центре каждой грани.

«Это настоящий прорыв», говорит Коппари.

«Тот факт, что существование этой фазы не является артефактом квантово-молекулярного динамического моделирования, а вполне реально — это очень радует», говорит Бове.

И такого рода успешная перекрестная проверка как моделирования, так и настоящего суперионного льда предполагает, что конечная «мечта» исследователей физики материалов может быть вскоре достигнута. «Вы говорите мне, какие свойства материала вам нужны, мы идем к компьютеру и теоретически выясняем, какой материал и какая кристаллическая структура вам нужна», говорит Раймонд Джанлоз, ученый Калифорнийского университета в Беркли.

Новый анализ также намекает на то, что хотя суперионный лед действительно проводит некоторое электричество, он является рыхловатым, но твердым веществом. Он будет понемногу растекаться, но течь — нет. Таким образом, жидкие слои внутри Урана и Нептуна могут остановиться примерно на 8000 километрах вглубь планеты, где начнется огромная мантия зыбкого суперионного льда. Это ограничивает большинство действий динамо на меньших глубинах, учитывая необычные поля планет.

Другие планеты и луны Солнечной системы, вероятно, не располагают внутренними температурами и давлениями, которые позволили бы существовать суперионному льду. Но множество экзопланет размеров ледяных гигантов позволяют предположить, что это вещество — суперионный лед — будет распространен в ледяных мирах по всей галактике.

Конечно, ни одна планета не будет содержать одну только воду. Ледяные гиганты в нашей Солнечной системе также замешаны из метана и аммиака. Степень, в которой суперионное поведение на самом деле находит место в природе, «будет зависеть от того, существуют ли эти фазы, когда мы замешиваем воду с другими материалами», говорят ученые. Впрочем, суперионный аммиак также должен существовать.