Группа физиков под руководством Алексиса Форестье из Комиссариата по атомной энергии Франции столкнулась с необычным поведением воды, которое ломает базовые представления о фазовых состояниях. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.
![]()
Фото из открытых источников / © GigaChat
В ходе эксперимента ученые сжали крошечные образцы воды между наконечниками алмазных тисков до давления в 219 гигапаскалей (это примерно 2,3 миллиона атмосфер) и нагрели их лазером до 2357 градусов Цельсия.
При таких вводных любая жидкость давно превратилась бы в перегретый пар или плазму. Однако внутри планет-гигантов расширение пара сдерживается колоссальной гравитацией. Вода становится невероятно плотной и переходит в состояние суперионного льда. Кислородные атомы заперты в жесткой кристаллической решетке, а ядра водорода свободно текут сквозь них, словно частицы в жидкости.
Новое исследование выявило конкретную архитектуру этого безумия. Если раньше доминировала гранецентрированная кубическая структура (fcc), то теперь зафиксирована гексагональная плотноупакованная фаза (hcp). При давлении выше 200 гигапаскалей именно hcp-решетка становится энергетически выгодной. Ученые заметили это случайно: пересматривая старые данные, они поняли, что странный пик на рентгенограмме десятилетней давности был тем самым «горячим льдом».
Изменение кристаллической сетки меняет электропроводность материала. Суперионный лед считается главным виновником магнитных аномалий Урана и Нептуна. Их поля асимметричны и наклонены, что невозможно объяснить обычным металлическим ядром. Вероятно, мантии этих планет состоят из слоев разной фазы суперионной воды, которые генерируют хаотичные электрические токи. Понимание разницы между fcc и hcp позволит астрофизикам наконец построить точную модель недр ледяных гигантов.
На данный момент исследователи только начинают изучать эту область. Свойства hcp-льда, включая его механическую пластичность, пока ещё остаются загадкой.
***
Обычный лед, который мы достаем из морозилки, называется Лёд Ih. Всего науке известно около двух десятков форм кристаллической воды. Например, Лёд VII стабилен при давлении свыше 2,5 ГПа и может находиться в земной мантии, а чистая дистиллированная вода способна оставаться жидкой даже при минус 48 градусах Цельсия благодаря отсутствию центров кристаллизации. Кроме того, удельная теплота плавления обычного льда составляет 330 кДж/кг — чтобы растопить килограмм замерзшей воды, нужно столько же тепла, сколько требуется для нагрева литра воды от 0 до 80 °C.
