Naukowcy odkryli dziwny czarny „superjonowy lód”, który może znajdować się w głębinach innych planet

Korzystając z zaawansowanego źródła fotonów, naukowcy odtworzyli strukturę lodu uformowanego w centrach planet jako Neptun I Uran.

Każdy wie o lodzie, cieczy i parze – ale w zależności od warunków woda może w rzeczywistości tworzyć kilkanaście różnych struktur. Naukowcy dodali teraz do listy nowy etap: super lód jonowy.

Ten rodzaj lodu tworzy się w ekstremalnie wysokich temperaturach i ciśnieniach, takich jak te znajdujące się w głębinach planet takich jak Neptun czy Uran. Wcześniej super lód można było zobaczyć tylko przez krótką chwilę Naukowcy wysłali szok Przez kroplę wody, ale w nowym badaniu opublikowanym w Fizyka Przyrody Naukowcy znaleźli niezawodny sposób na tworzenie, przechowywanie i badanie lodu.

Naukowcy wykorzystali diamenty i jasną wiązkę promieniowania rentgenowskiego do odtworzenia warunków panujących głęboko wewnątrz planet i odkryli nową fazę wody zwaną „lodem nadjonowym”. Źródło: Zdjęcie Witalija Prakabenka

Współautor badania Witalij Prakabenka powiedział: Uniwersytet w Chicago Profesor naukowy i radiolog w Advanced Photon Source (APS), Biurze Naukowym (DOE) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) Urzędzie użytkownika Biura Nauki w Narodowym Laboratorium Argonne Departamentu Energii. „Ale dzięki kilku potężnym narzędziom byliśmy w stanie bardzo dokładnie odwzorować właściwości tego nowego lodu, który tworzy nową fazę materii”.

Nawet gdy ludzie cofali się w czasie, do początku wszechświata – do najmniejszych cząstek, z których składa się cała materia – nadal nie rozumiemy dokładnie, co leży głęboko w Ziemi, nie mówiąc już o siostrzanych planetach naszego Układu Słonecznego. Naukowcy tylko kopią Około siedmiu i pół mili Pod powierzchnią ziemi, zanim sprzęt zacznie się topić z powodu intensywnego ciepła i ciśnienia. W tych warunkach skały zachowują się jak plastik, a podstawowe struktury molekularne, takie jak woda, zaczynają się przekształcać.

„Dzięki kilku potężnym narzędziom byliśmy w stanie bardzo dokładnie odwzorować właściwości tego nowego lodu, który tworzy nową fazę materii”. – Witalij Prakabenka, Uniwersytet w Chicago.

Ponieważ nie możemy fizycznie uzyskać dostępu do tych miejsc, naukowcy muszą zwrócić się do laboratorium, aby odtworzyć ekstremalne warunki cieplne i ciśnieniowe.

Prakabenka i współpracownicy używają APS, masywnego akceleratora, który napędza elektrony do bardzo dużych prędkości zbliżonych do prędkości światła, aby generować niezwykłe wiązki promieni rentgenowskich. Ściskają swoje próbki między dwoma diamentami – najtwardszym materiałem na Ziemi – aby symulować ekstremalne ciśnienia, a następnie strzelają laserami w diament, aby ogrzać próbkę. Na koniec wysyłają wiązkę promieni rentgenowskich przez próbkę i razem zestawiają układ atomów wewnątrz na podstawie tego, jak promienie rentgenowskie są rozpraszane z próbki.

Kiedy po raz pierwszy przeprowadzili eksperymenty, Prakapenka zobaczył odczyty struktury, które znacznie różniły się od tego, czego się spodziewał. Uważał, że coś poszło nie tak i doszło do niepożądanej reakcji chemicznej, która w takich eksperymentach często zachodzi z wodą. „Ale kiedy wyłączyłem laser i próbka wróciła do temperatury pokojowej, lód wrócił do swojego pierwotnego stanu” – powiedział. „Oznacza to, że była to odwracalna zmiana strukturalna, a nie reakcja chemiczna”.

Przyglądając się strukturze lodu, zespół zdał sobie sprawę, że nowy etap jest w ich rękach. Potrafili dokładnie określić jego strukturę i właściwości.

„Wyobraź sobie sześcian, siatkę z atomami tlenu w rogach połączonymi z wodorem” – powiedział Brakabenka. „Kiedy przechodzisz do tej nowej superfazy jonowej, sieć rozszerza się, umożliwiając atomom wodoru poruszanie się, podczas gdy atomy tlenu pozostają nieruchome w swoich pozycjach. To trochę jak stała sieć tlenowa w oceanie pływających atomów wodoru. „

Ma to konsekwencje dla zachowania lodu: staje się mniej gęsty, ale zauważalnie ciemniejszy, ponieważ inaczej reaguje na światło. Jednak pełny zakres chemicznych i fizycznych właściwości lodu nadjonowego pozostaje do zbadania. „To nowy stan materii, więc zasadniczo działa jak nowa materia i może być inny niż myśleliśmy” – powiedział Brakabenka.

Wyniki były również zaskakujące, ponieważ choć teoretycy spodziewali się tego etapu, większość modeli uważała, że ​​nie pojawi się on, dopóki woda nie zostanie sprężona do ciśnienia przekraczającego 50 gigapaskali (mniej więcej takie same warunki w paliwie rakietowym, gdy wybucha do startu). Ale te eksperymenty były tylko przy 20 GPa. „Czasami wręcza się wam takie niespodzianki” – powiedział Brakabenka.

Ale określenie dokładnych warunków, w jakich występują różne fazy lodowe, jest ważne między innymi dla zrozumienia powstawania planet, a nawet tego, gdzie szukać życia na innych planetach. Naukowcy uważają, że we wnętrzu Neptuna i Urana oraz na innych zimnych i skalistych planetach panują podobne warunki, jak wszędzie we wszechświecie.

Właściwości tych lodów odgrywają rolę w polach magnetycznych planety, które mają znaczący wpływ na jej zdolność do życia: silne pola magnetyczne Ziemi chronią nas przed szkodliwym promieniowaniem i promieniowaniem kosmicznym, podczas gdy suche powierzchnie planet chronią nas. Mars i rtęć są narażone. Znajomość warunków, które wpływają na formowanie się pola magnetycznego, może pomóc naukowcom w poszukiwaniu gwiazd i planet w innych układach słonecznych, w których może istnieć życie.

Brakabenka powiedział, że istnieje wiele aspektów do zbadania, takich jak przewodność i lepkość, stabilność chemiczna, co się zmienia, gdy woda miesza się z solami lub innymi minerałami oraz sposób, w jaki często zachowuje się głęboko pod powierzchnią Ziemi. „To powinno stymulować więcej badań” – powiedział.

Odniesienie: „Struktura i właściwości dwóch superjonowych faz lodowcowych” Witalija Brakabenki, Nicholasa Holtgreoya i Sergeya S. Fizyka Przyrody.
DOI: 10.1038 / s41567-021-01351-8

Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego synchrotronu została przeprowadzona w GeoSoilEnviroCARS, linia badawcza na Advanced Photon Source w Argonne National Laboratory, a spektroskopia optyczna została wykonana w Carnegie Institution for Science. Inni autorzy artykułu to Nicholas Holtgraw z CARS i Carnegie Institution of Washington, Sergey Lobanov z Carnegie Institution i niemieckiego GFZ Research Center for Geosciences oraz Alexander Goncharov z Carnegie Institution.