Обнаружен странный тип льда, который тает только при очень высоких температурах
Когда вы тянетесь к холодильнику за кубиком льда или смотрите на холодный зимний пейзаж, усеянный ледяными образованиями, вы взаимодействуете с веществом, которое все мы знаем как лед, научно известный как гексагональный лед (Ice Ih).
Но что, если я скажу вам, что существует около двадцати различных видов льда, каждый из которых совершенно не похож на тот, с которым вы знакомы?
Одна из форм льда настолько уникальна, что существует только в глубинах небесных тел, таких как Нептун и Уран. Представляем вам лед XVIII, также известный как суперионный лед.
Профессор Морис де Конинг опубликовал исследование, в котором объясняются сложности суперионного льда и его потенциал для раскрытия странных характеристик, наблюдаемых у «ледяных гигантов» нашей Солнечной системы.
Интригующее явление суперионного льда
Что же делает суперионный лед таким особенным?
Лед XVIII совсем не обычный. Он производится в экстремальных условиях - при температурах до 5 000 Кельвинов (около 4 700 градусов Цельсия) и давлении около 340 гигапаскалей, что более чем в 3,3 миллиона раз превышает атмосферное давление на поверхности Земли.
На Земле нет таких суровых условий, но они есть глубоко внутри ледяных гигантов - Нептуна и Урана, благодаря их массивным гравитационным полям.
Внутри суперионного льда вода не сохраняет свою типичную молекулярную структуру. Атомы кислорода образуют жесткую решетку, в то время как атомы водорода, лишенные электронов, свободно парят в виде положительно заряженных ионов.
«Это похоже на металлический проводник, такой как медь, но положительные ионы образуют кристаллическую решетку, а отрицательно заряженные электроны свободно перемещаются», - объясняет де Конинг, уважаемый профессор Института физики имени Глеба Ватагина при Государственном университете Кампинаса в Сан-Паулу (Бразилия),
Почему суперионный лед имеет значение?
Суперионный лед, или лед XVIII, привлекает внимание ученых благодаря своему уникальному устройству. То, как эти свободно плавающие ионы водорода перемещаются по кислородной решетке, потенциально может объяснить необычные особенности Урана и Нептуна, в частности, своеобразное поведение их магнитных полей.
В отличие от Земли, где магнитное поле совпадает с осью вращения, у Урана и Нептуна оси магнитных полей заметно наклонены - 47 и 59 градусов от оси вращения соответственно.
Это несоответствие долгое время озадачивало ученых. Исследование де Конинга позволяет предположить, что причиной может быть движение протонов через суперионный лед.
Он объясняет: «Электричество, проводимое протонами через решетку кислорода, тесно связано с вопросом о том, почему ось магнитного поля не совпадает с осью вращения этих планет».
Глубоко внутри мантии «ледяных гигантов»
Для дальнейшего изучения этой теории де Конинг и его команда отказались от традиционных экспериментов и обратились к передовому компьютерному моделированию.
Используя теорию функционала плотности (DFT), они смоделировали механические свойства льда XVIII, чтобы понять, как он поведет себя в напряженных условиях внутри Нептуна и Урана.
Эта задача не была простой. Для моделирования льда XVIII требовалось учесть огромное количество молекул - около 80 000.
В расчетах были задействованы самые современные вычислительные методы, нейронные сети и алгоритмы машинного обучения.
Главной задачей было выяснить, как различные типы дефектов в кристаллической структуре могут коррелировать с крупномасштабными деформациями и, следовательно, с загадочными магнитными полями.
Дефекты кристаллов и другие несовершенства
В мире кристаллов дефекты обычно рассматриваются как изъяны, нарушающие нормальное расположение атомов. Однако в суперионном льде эти дефекты могут быть ключом к разгадке его загадки.
В исследовании изучался особый тип дефектов, известный как «дислокация», которая возникает при наличии угловой разницы между соседними слоями кристалла.
Де Конинг использует простую аналогию: «Представьте себе ковер, который смяли; образовавшиеся складки в какой-то степени напоминают дислокации в кристалле». Далее он объясняет: «Дислокация для металлургии - это то же самое, что ДНК для генетики».
Смоделировав эти дислокации в Лед XVIII, команда пришла к выводу, что сила, необходимая для деформации льда, может объяснить уникальные магнитные свойства этих планет.
Они пришли к выводу, что особые условия на Нептуне и Уране в сочетании со свойствами льда XVIII создают идеальную среду для этих явлений.
Суперионный лед в лаборатории
Несмотря на то что суперионный лед кажется концепцией из научной фантастики, он приобретает все большее значение для нашего понимания Вселенной.
В 2019 году ученые создали небольшое количество льда XVIII, используя мощные лазеры для сжатия тонкого слоя воды между алмазными поверхностями, - достижение, открывающее широкие возможности для будущих исследований.
Однако пока мы понимаем суперионный лед в основном благодаря моделированию, подобному тому, которое провел де Конинг.
Он объясняет: «Это был самый интересный аспект исследования, объединивший знания в области металлургии, планетологии, квантовой механики и высокопроизводительных технологий.
