Физики открыли новую странную тетрагональную фазу водяного льда

Новая кристаллическая форма водяного льда была обнаружена при мимолетных переходах между фазами при высоких давлениях.

Она называется Ice-VIIt и возникает в процессе скольжения вещества между двумя уже известными кубическими формами расположения молекул. Хотя маловероятно, что Ice-VIIt естественным образом появится на поверхности Земли, он может многое рассказать о том, как ведет себя вода на огромных инопланетных мирах.

Мы можем думать, что это обычное явление, но вода на самом деле довольно странная жидкость по сравнению с другими известными нам жидкостями. Расположение молекул внутри замороженной формы воды - льда - может значительно меняться в зависимости от окружающих условий.

Нам известно по меньшей мере 19 твердых фаз льда, некоторые из которых встречаются в природе, а некоторые наблюдались только в лабораторных условиях.

Лед, который вы видите в морозильной камере или который падает с неба в виде снежинок или градин, является самым распространенным природным льдом на Земле. Он называется Ice-I, атомы кислорода в нем расположены в виде шестиугольной решетки. Однако эта структура является геометрически неустойчивой: атомы водорода беспорядочно болтаются в ней.

Когда физики охлаждают Ice-I при различных температурах и прикладывают к нему различное давление, атомы водорода и кислорода в нем периодически могут принимать различные формы, иногда даже упорядочиваясь более аккуратно. Эти различные формы водяного льда не всегда стабильны, но мы можем исследовать их в лаборатории, чтобы выявить их любопытные молекулярные структуры.

Две из этих фаз с кубической структурой - это Ice-VII, в которой водород неупорядочен, и Ice-X, которая симметрична. Их можно получить, подвергая лед высокому давлению, которое на десятки-сотни тысяч превышает атмосферное давление Земли на уровне моря, а Ice-VII - при еще более низком давлении, чем Ice-X.

Для изучения переходов между фазами льда группа физиков под руководством Зака Гранде из Университета Невады в Лас-Вегасе провела эксперименты со льдом под высоким давлением, используя новую методику измерения свойств льда при воздействии давления. 

Исследователи сжимали образец воды в алмазной наковальне, заставляя его замерзнуть в виде нагромождения кристаллов. Затем с помощью лазеров образец нагревали, заставляя его таять, а затем снова замораживали, превращая в то, что исследователи назвали порошкообразной коллекцией кристаллов.

Постепенно повышая давление в наковальне с помощью периодических взрывов лазера, исследователи создали лед-VII и наблюдали переход к льду-X. Между ними, благодаря новой технике измерения, они также наблюдали новую промежуточную фазу, Ice-VIIt.

В этой фазе кубическая решетка Ice-VII растягивается вдоль одного из векторов так, что структура приобретает прямоугольную форму с кубической площадью, а затем переходит в симметричную, полностью упорядоченную кубическую структуру Ice-X. Такое расположение известно как тетрагональное.

Команда также показала, что Ice-X может формироваться при гораздо более низких давлениях, чем считалось ранее. Ice-VII образуется при давлении около 3 гигапаскалей, то есть при давлении в 30 000 атмосфер. Согласно наблюдениям команды, переход к Ice-VIIt происходит при давлении около 5,1 гигапаскаля.

В предыдущих отчетах давление перехода для Ice-X определялось в диапазоне от 40 до 120 гигапаскалей. Однако Гранде и его команда наблюдали, что переход между Ice-VIIt и Ice-X происходит при давлении около 30,9 гигапаскалей.

Это, по словам команды, должно помочь разрешить дебаты о давлении перехода Ice-X.

"Работа Зака продемонстрировала, что переход в ионное состояние происходит при гораздо, гораздо более низком давлении, чем считалось ранее", - сказал физик Ашкан Саламат из Университета Невады в Лас-Вегасе.

"Это недостающий фрагмент и самые точные измерения воды при таких условиях".

Это, по словам команды, может иметь важные последствия для изучения внутренних условий других миров. По их словам, богатые водой планеты за пределами Солнечной системы могут иметь Ice-VIIt в изобилии, что даже повышает вероятность наличия условий, подходящих для зарождения жизни.

Исследование группы было опубликовано в журнале Physical Review B.