Відкриття двох нових форм солоної води може переписати фундаментальну хімію
Дві нещодавно виявлені форми замерзлої солоної води можуть допомогти вченим розгадати таємницю вкритих льодом супутників Сонячної системи .
Під впливом вищого тиску та нижчих температур, ніж у природі на Землі, атоми гідратованого хлориду натрію, більш відомого як солоний водяний лід, упорядковуються в раніше не ідентифіковані структури, які містять набагато більшу частку молекул води. ніж сіль.
Це може пояснити дивний хімічний підпис речовини на поверхні супутника Юпітера Європи, яка здається більш водянистою, ніж очікують вчені.
«Фундаментальні відкриття в науці сьогодні — рідкість», — каже дослідник Землі та космосу Баптіст Журно з Вашингтонського університету.
«Сіль і вода дуже добре відомі в земних умовах. Але крім цього, ми повністю в темряві. І тепер у нас є ці планетарні об’єкти, які, ймовірно, містять дуже знайомі нам сполуки, але в дуже екзотичних умовах. переробити всю фундаментальну мінералогічну науку, якою займалися люди в 1800-х роках, але за високого тиску та низької температури. Це захоплюючий час».
І солі, і води в нашому рідному світі багато. У поєднанні молекули солі розчиняються в молекулах води, утворюючи розчин. Наявність солі знижує температуру замерзання розчину порівняно з несолоною водою, але оскільки температура продовжує падати в типових атмосферних умовах Землі, він зрештою замерзне.
Коли це відбувається, молекули організовуються в жорстку решітку, відому як гідрат. На Землі (за межами лабораторії) ця структура має лише одну конфігурацію: одна молекула солі на кожні дві молекули води.
На супутниках, таких як Європа та Ганімед, які обертаються навколо Юпітера, і на супутнику Сатурна Енцеладі вчені також знайшли докази наявності солі та води, але умови, в яких вони знаходяться, дещо відрізняються від земних.
Піддані впливу близького вакууму космосу, далеко від Сонця, поверхні цих далеких світів можуть стати надзвичайно холодними. Під їхнім шаром льоду лежать океани, які в деяких випадках можуть бути більш ніж у 100 разів товщі, ніж найглибші води на Землі , створюючи досить екстремальний тиск і температури.
Журно та його колеги вирішили дослідити вплив солі на виробництво льоду. Вони стиснули крихітну брилку солоної води в комірці алмазного ковадла в надзвичайно холодних умовах, створюючи тиск, що у 25 000 разів перевищує атмосферний тиск Землі, одночасно знижуючи температуру до -123 градусів за Цельсієм (-190 градусів за Фаренгейтом).
Вони не чекали того, що сталося далі.
«Ми намагалися виміряти, як додавання солі змінить кількість льоду, який ми можемо отримати, оскільки сіль діє як антифриз», — пояснює Журно . «Дивно, але коли ми зробили тиск, ми побачили, що ці кристали, яких ми не очікували, почали рости. Це було дуже випадкове відкриття».
В умовах експерименту дослідники побачили, як з’явилися дві нові структури молекули солі та води. Одна містить дві молекули солі на кожні 17 молекул води; інший мав 13 молекул води на одну молекулу солі. Обидва вони дуже відрізняються від природного типу «одна сіль, дві води», які можна побачити на Землі, і відповідають водним хімічним характеристикам, які спостерігаються на льодових місяцях.
«Він має структуру, на яку чекали планетологи», — додає Журно .
Дослідники кажуть, що основним фактором є тиск, який стискає молекули разом і змушує їх шукати нові способи співіснування. Але навіть коли тиск було скинуто, один із нещодавно ідентифікованих гідратів – той, що містить 17 молекул води – залишався стабільним до температури -50 градусів за Цельсієм. Це свідчить про те, що його також можна знайти тут, на Землі, можливо, під льодом Антарктиди.
Необхідно провести майбутні дослідження, щоб визначити, чи зможе це відкриття розгадати таємницю крижаного місяця.
«Інфрачервоні спектри [гідрату] ще належить визначити в майбутніх дослідженнях, — пишуть дослідники , — але його гіпергідратована структура може вирішити давню таємницю неідентифікованої гідратної фази на поверхні Європи та Ганімеда».
