Nedávno v laboratoři pro laserovou energii v Brightonu v New Yorku narazil jeden z nejvýkonnějších laserů na kapku vody a vytvořil rázovou vlnu, která zvýšila tlak v této vodě na miliony atmosfér a teplotu na tisíce stupňů. Rentgenové paprsky, které prošly touto kapkou ve stejné zlomkové sekundě, ukázaly lidstvu první záblesk vody v takových extrémních podmínkách. Ukázali, že voda uvnitř rázové vlny se nestala přehřátou kapalinou nebo plynem. Ne, voda je zmrzlá.
Atomy vody paradoxně ztuhly a vytvořily krystalický led. Jak však fyzici očekávali, mžoural na obrazovky ve vedlejší místnosti.
"Slyšíte výstřel a současně uvidíte, že se stalo něco zajímavého," říká Marius Millo z Livermore National Laboratory. Lawrence, který provedl experiment s Federica Coppari.
Co se stane s vodou při vysokém tlaku a teplotě?
Výsledky této práce, publikované tento týden v Přírodě, potvrzují existenci „superionického ledu“, nové fáze vody s bizarními vlastnostmi. Na rozdíl od známého ledu nalezeného v mrazáku nebo na severním pólu je superionický led černý a horký. Kostka tohoto ledu vážila čtyřikrát obvyklou hmotnost. Jeho existence byla poprvé předpovídána před 30 lety, a přestože to nikdy předtím nebylo vidět, vědci věří, že to může být jeden z nejhojnějších druhů vody ve vesmíru.
Dokonce i ve sluneční soustavě je většina vody pravděpodobně ve formě superionického ledu - ve střevech Uranu a Neptunu. V oceánech Země, v Evropě a v Enceladu je toho více než tekutá voda. Objev superionického ledu by mohl vyřešit stará tajemství o složení těchto „ledových obrů“.
Vědci již objevili osmnáct úžasných architektur ledových krystalů, včetně hexagonálního uspořádání molekul vody v běžném ledu (Ih). Po ledu-I, který má dvě podoby, Ih a Ic, jsou ostatní formy očíslovány od II do XVII v pořadí otevření. Ano, „ice-9“skutečně existuje, ale jeho vlastnosti nejsou vůbec stejné jako v románu Kurt Vonnegut „Cat's Cradle“.
Propagační video:
Superionický led může uplatnit nárok na plášť Ice-XVIII. Toto je nový krystal, ale v něm je jedna věc. Všechny dříve známé vodní zmrzliny jsou složeny z intaktních molekul vody, ve kterých je jeden atom kyslíku vázán ke dvěma atomům vodíku. Ale superionický led, jak ukazují nová měření, není takový. Existuje v jakési surrealistické končetině, napůl pevné, napůl tekuté. Jednotlivé molekuly vody se rozpadají. Atomy kyslíku tvoří kubickou mříž, ale atomy vodíku se volně rozlévají a proudí jako kapalina přes tuhou kyslíkovou buňku.
Odborníci říkají, že objev superionického ledu zdůvodňuje počítačové předpovědi, které by pomohly fyzickým fyzikům vytvořit budoucí látky s jednotlivými vlastnostmi. A objev tohoto ledu vyžadoval ultrarychlá měření a přesnou kontrolu teploty a tlaku, což bylo možné pouze se zlepšením experimentálních metod.
Fyzik Livia Bove z francouzského národního centra pro vědecký výzkum se domnívá, že protože se molekuly vody rozpadají, nejedná se přesně o novou fázi vody. "Je to nový stav hmoty, což je docela působivé."
Ledové hádanky
Fyzici loví superionický led mnoho let - od té doby, co primitivní počítačová simulace Pierfranco Demontes v roce 1988 předpověděla, že voda by převzala tento podivný, téměř kovový tvar, kdyby se vytlačila mimo mapu známých ledových fází.
Modelování ukázalo, že pod silným tlakem a teplem jsou molekuly vody zničeny. Atomy kyslíku jsou zachyceny v krychlové mřížce a „vodík začíná skákat z jedné pozice v krystalu do druhé, znovu a znovu,“říká Millo. Tyto skoky mezi místy mříže jsou tak rychlé, že atomy vodíku - které ionizují, v podstatě se stávají pozitivně nabitými protony - se chovají jako kapalina.
Bylo navrženo, že superionický led povede elektřinu jako kov a vodík bude působit jako elektrony. Přítomnost těchto volných atomů vodíku také zvýší ledovou poruchu, její entropii. Zvýšení entropie zase způsobí, že led bude stabilnější než jiné typy ledových krystalů, v důsledku čehož se jeho teplota tání zvýší.
Je snadné si to všechno představit, je těžké tomu uvěřit. První modely používaly zjednodušenou fyziku, brodit se kvantovou povahou skutečných molekul. Pozdější simulace přidaly více kvantových efektů, ale stále obcházely skutečné rovnice potřebné k popisu interakce více kvantových těl, což je příliš obtížné spočítat. Místo toho se spoléhali na aproximace, což zvýšilo pravděpodobnost, že se celý tento scénář stane simulací zázrakem. Experimenty mezitím nemohly vytvořit potřebný tlak a generovat dostatek tepla k roztavení této silné látky.
A když už všichni opustili tento podnik, planetární vědci vyjádřili vlastní podezření, že voda by mohla mít superionickou fázi ledu. Přibližně ve stejnou dobu, kdy byla tato fáze poprvé předpovězena, šla sonda Voyager 2 do vnější sluneční soustavy a objevila něco zvláštního v magnetických polích ledových obrů Uran a Neptun.
Pole kolem jiných planet ve sluneční soustavě se jeví jako složená z dobře definovaných severních a jižních pólů, bez zvláštní struktury. Vypadá to, že obsahují tyčové magnety zarovnané s osami otáčení. Planetologové to spojují s „dynamy“: vnitřními oblastmi, kde se vodivé tekutiny zvyšují a otáčejí, když se planeta otáčí, čímž vytváří obrovská magnetická pole.
Naproti tomu magnetická pole vycházející z Uranu a Neptunu vypadala těžkopádněji a komplexněji s více než dvěma póly. Rovněž se nesoustavili blízko k rotaci svých planet. Jedním způsobem, jak toho dosáhnout, je nějakým způsobem omezit vodivou tekutinu, zodpovědnou za dynamo, pouze na tenkou vnější skořepinu planety, místo aby jí umožnila proniknout do jádra.
Myšlenka, že tyto planety by mohly mít pevná jádra, která by nemohla generovat dynama, se však nezdala realistická. Pokud jste vrtali skrz tyto ledové obry, očekávali byste, že nejprve narazíte na vrstvu iontové vody, která bude protékat, vést proudy a účastnit se dynama. Zdá se, že i hlubší materiál, i při vyšších teplotách, bude také tekutý, ale to je naivní. Planetární vědci mají vtip, že střeva Uranu a Neptunu nemohou být pevná. Ukázalo se však, že mohou.
Tryskající led
Coppari, Millo a jejich tým skládali skládačky dohromady.
V dřívějším experimentu zveřejněném v únoru 2018 získali fyzici nepřímé důkazy o existenci superionického ledu. Stiskli kapku vody o teplotě místnosti mezi špičaté konce dvou broušených diamantů. Když tlak vzrostl na asi gigapascal, což je asi 10krát více než na dně Mariany Trench, voda se změnila na tetragonální krystal, led-VI. Při 2 gigapascalech se proměnila v led-VII, hustší krychlový tvar, který je průhledným pouhým okem, který vědci nedávno objevili také v malých kapsách uvnitř přírodních diamantů.
Poté, pomocí laseru OMEGA v laboratoři Laser Energy Lab, Millo a jeho kolegové zaměřili na Ice-VII, stále zasunutí mezi diamantové kovadliny. Když laser dopadl na povrch diamantu, odpařil materiál směrem nahoru, v podstatě házel diamant v opačném směru a poslal rázovou vlnu ledem. Millo tým zjistil, že super-stlačený led tajil, asi 4 700 stupňů Celsia, jak se očekávalo pro superionický led, a že vedl elektřinu pohybem nabitých protonů.
Poté, co byly předpovědi o objemových vlastnostech superionického ledu potvrzeny, měla nová studie Coppariho a Milla potvrdit jeho strukturu. Pokud chcete potvrdit krystalickou povahu, potřebujete rentgenovou difrakci.
Jejich nový experiment úplně vynechal led-VI a led-VII. Místo toho tým jednoduše rozbil vodu mezi diamantovými kovadlinami laserovými výstřely. O miliardu vteřiny později, když rázové vlny pronikly a voda začala krystalizovat do nanometrických kostek ledu, vědci přidali dalších 16 laserových paprsků k odpařování tenkého kousku železa vedle vzorku. Výsledná plazma zaplavila krystalizující vodu rentgenovými paprsky, které pak difundovaly z ledových krystalů a umožnily týmu rozlišit jejich strukturu.
Atomy ve vodě se přeuspořádaly do dlouho předvídané, ale nikdy předtím neviděné architektury, led-XVIII: krychlová mříž s atomy kyslíku v každém rohu a ve středu každé tváře.
A tento druh úspěšné křížové validace simulací a skutečného superionického ledu naznačuje, že konečný „sen“vědců o materiální fyzice může být brzy dosažen. "Řekněte mi, jaké materiální vlastnosti chcete, jdeme k počítači a teoreticky zjistíme, jaký materiál a jaký typ krystalové struktury potřebujete," říká Raymond Janloz, vědec z University of California v Berkeley.
Nová analýza také naznačuje, že zatímco superionický led vede nějakou elektřinu, je volná, ale pevná. Postupně se bude šířit, ale nebude to plynout. Tekuté vrstvy uvnitř Uranu a Neptunu tak mohou zastavit asi 8000 kilometrů ve vnitrozemí, kde začne obrovský plášť nestabilního superionického ledu. To omezuje většinu dynamických akcí v mělkých hloubkách, vzhledem k neobvyklým polím planet.
Jiné planety a měsíce ve sluneční soustavě pravděpodobně nemají vnitřní teploty a tlaky, které by umožňovaly existovat superionický led. Ale množství exoplanet, velikost ledových obrů, naznačuje, že tato látka - superionický led - bude distribuována v ledových světech v celé galaxii.
Samozřejmě, žádná planeta nebude obsahovat vodu sama. Ledové obry v naší sluneční soustavě jsou také smíchány s metanem a amoniakem. Rozsah, v jakém se superionické chování skutečně nachází v přírodě, „bude záviset na tom, zda tyto fáze existují, když smícháme vodu s jinými materiály,“tvrdí vědci. Musí však také existovat superionický amoniak.
Experimenty pokračují. Myslíte si, že jednoho dne zjistíme, co je ve středu největších těles naší sluneční soustavy?
Ilya Khel