Теоретично передбачене раніше, тепер вчені вперше експериментально спостерігали пластичний лід VII. Це може звучати, як назва малобюджетного фільму, але насправді йдеться про екзотичну фазу води, яка, на думку науковців, може існувати в океанах на інших планетах.
Наскільки ж вона екзотична? Пластичний лід VII утворюється лише за надзвичайно високих температур і тиску. За таких умов молекули води змушені приймати різні конфігурації та проявляти нові динамічні властивості.
Міжнародна група дослідників створила лід VII, стискаючи воду до тиску 6 гігапаскалів та нагріваючи її до 327 °C (620 °F). Використовуючи високоточні інструменти в Інституті Лауе-Ланжевена (ILL) у Франції, вчені змогли спостерігати фазовий перехід у реальному часі.
Лід VII має унікальну кубічну структуру з переплетенням атомів водню. Проте те, що відбувається з цією структурою при “плавленні”, досі залишалося загадкою. Деякі науковці припускали, що молекули залишаються на місці, а лише атоми водню переміщуються.
Через делікатність цієї фази води було необхідно вимірювати рухи атомів водню, а не просто фіксувати їхню структуру. Саме тому вченим довго не вдавалося довести існування пластичного льоду VII – аж до цього моменту.
Одним із методів, що допоміг визначити фазу льоду VII, стало квазіеластичне нейтронне розсіювання (QENS), яке дозволяє відстежувати мікроскопічні рухи частинок за допомогою нейтронів.
“Здатність QENS вивчати як трансляційні, так і обертальні рухи є унікальною перевагою для дослідження таких екзотичних фазових переходів порівняно з іншими спектроскопічними методами”, – пояснює фізик Марія Рескіньйо з Римського університету Сапієнца.
Як і передбачали ще 17 років тому, дослідники зафіксували, що при нагріванні та підвищенні тиску атоми водню всередині льоду VII починають обертатися на мікроскопічному рівні.
Однак вчені зробили несподіване відкриття: молекули в пластичному льоді VII не оберталися вільно, а рухалися ривками. Це, ймовірно, пов’язано зі специфічними особливостями водневих зв’язків, які постійно розриваються та відновлюються.
“QENS-аналіз показав, що механізм молекулярного обертання в пластичному льоді VII відрізняється від очікуваної вільної ротації”, – зазначає Рескіньйо.
Науковці вважають, що в минулому пластичний лід VII міг існувати на крижаних світах, таких як Нептун або Європа – супутник Юпітера. Лабораторні дослідження цієї фази допомагають краще зрозуміти минулі геологічні процеси на віддалених планетах та їхніх супутниках.
Ще один перспективний напрямок досліджень – детальне вивчення механізму переходу до пластичного льоду VII. Він може відбуватися поступово або ж бути різким, залежно від умов.
“Сценарій поступового фазового переходу є надзвичайно цікавим”, – додає фізик Лівія Бове з Римського університету Сапієнца.
“Це натякає на те, що пластична фаза може бути попередником загадкової суперіонної фази – ще однієї екзотичної форми води, яка, як передбачають, утворюється за ще вищих температур і тиску, дозволяючи водню вільно дифундувати крізь кристалічну решітку з атомів кисню.”
Дослідження було опубліковано в журналі Nature.