При нагреве до нескольких тысяч градусов Цельсия и давлении в миллионы атмосфер вода переходит в экзотическое состояние, известное как «суперионная вода». В этой необычной фазе, существующей в условиях, далеких от земных, атомы кислорода образуют твердый кристаллический каркас, в то время как ионы водорода свободно перемещаются сквозь него. Такое строение придает суперионной воде свойства, которых нет ни у обычной жидкости, ни у льда, – в частности, способность проводить электричество.
Именно высокая электропроводность делает эту фазу воды главным кандидатом на объяснение загадочных магнитных полей ледяных гигантов – Урана и Нептуна. Ученые предполагают, что в недрах этих планет содержится огромное количество воды, а значит, суперионная форма может быть одной из самых распространенных во всей Солнечной системе, скрываясь глубоко под поверхностью.
Несмотря на то, что исследователям уже удавалось воссоздать суперионную воду в лаборатории, ее внутренняя структура долгое время оставалась загадкой. Предыдущие гипотезы предполагали, что атомы кислорода выстраиваются в одну из двух простых кубических решеток – объемно-центрированную, с дополнительным атомом в центре куба, или гранецентрированную, где атомы расположены в центрах каждой грани.
Новое исследование, однако, показало, что реальность куда сложнее. Вместо единого упорядоченного узора кислородная решетка представляет собой гибридную структуру. В ней сочетаются области гранецентрированной кубической решетки и слои с гексагональной плотной упаковкой атомов. Слияние этих двух типов укладки приводит к возникновению множественных дефектов и нарушений порядка. В результате образуется не идеально повторяющаяся решетка, а сложная и нерегулярная последовательность, обнаружить которую удалось лишь благодаря сверхточным измерениям с помощью мощнейших рентгеновских лазеров.
Чтобы заглянуть внутрь материи в экстремальном состоянии, международная команда ученых провела два независимых эксперимента. Опыты проходили на установке Matter in Extreme Conditions (MEC) в США и на инструменте HED-HIBEF европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL). На этих уникальных установках исследователи сжимали воду до давлений свыше полутора миллионов атмосфер и нагревали ее до тысяч градусов, одновременно делая «снимки» ее атомной структуры за триллионные доли секунды.
Полученные результаты отлично согласуются с передовыми компьютерными симуляциями и доказывают, что суперионная вода, подобно обычному льду, может существовать в нескольких структурных формах в зависимости от давления и температуры. Эта работа в очередной раз подтверждает, что вода – кажущаяся такой простой субстанцией – продолжает удивлять ученых своим сложным и необычным поведением в экстремальных условиях. Новые данные помогут уточнить модели внутреннего строения и эволюции ледяных гигантов, которые считаются одними из самых распространенных типов планет во Вселенной.
