Водата е едно от най-разпространените и жизненоважни вещества в човешкия свят. Буквално не можем да функционираме без нейните свойства на почти универсален разтворител. Тя пада от небето. Къпем се в нея, пием я и се потапяме в нея за забавление. Но ако я разглеждаме само като течност, водата е изключително странна и се държи по начин, който напълно противоречи на поведението на другите течности.
Още: Мускули без тренировки? Китайски учени са напът да шашнат цяла индустрия
Тя става по-малко плътна, когато замръзва. Повърхностното ѝ напрежение е необичайно високо. Същото важи и за точката ѝ на кипене. А според молекулното ѝ тегло тя би трябвало да бъде газ при стайна температура. И всичко това при нормални, обичайни условия на Земята. Достатъчно е да се променят налягането и температурата само с няколко степени и странното поведение на водата става още по-непредсказуемо.
Важното откритие
Снимка: Envato
Учени вече демонстрираха една от най-странните форми на лед досега – при абсурдни налягания до 2,3 милиона атмосфери и огромни температури до 2630 келвина (2357 градуса Целзий или 4274 градуса Фаренхайт).
При тези температури обикновено бихме очаквали водата категорично да е в газообразно състояние – дори частично разпаднала се на съставните си атоми на кислород и водород. Но при астрономическите налягания, които се наблюдават дълбоко в недрата на планетите, се случва нещо интересно, пише "Science Alert".
Още: Бъдещето е тук: Първата напълно роботизирана лаборатория заработи в Токио (ВИДЕО)
Когато водата преминава от течно в газообразно състояние или в пара, тя се разширява. Под смазващото налягане от милиони атмосфери това разширяване се възпрепятства. Вместо това водата може да остане изключително плътна, приемайки екзотични форми, различни от всеки лед, с който се сблъскваме на повърхността на Земята.
Една от тях е суперионният лед – едно изключително странно състояние на материята, което не е нито изцяло твърдо, нито изцяло течно. Атомите на кислорода в него остават фиксирани в твърда кристална решетка, както биха били в твърдо състояние. Но ядрата на водорода са подвижни и се разпространяват през тази решетка по-скоро като частици в течност.
При леко различаващи се условия подредбата на кислородните атоми преминава в различни конфигурации, известни като фази. Известни са около двадесет и няколко фази на водния лед, някои от които при екстремни условия се превръщат в суперионен лед. Учените постоянно търсят още такива.
Странно, доста странно
Снимка: Envato
И това не е просто странност на самата странност. Смята се, че суперионният лед съществува дълбоко в недрата на Уран и Нептун, където необичайните му свойства може би играят роля в генерирането на също толкова необичайните магнитни полета на планетите. В новите си експерименти екип, ръководен от физика Алексис Форестие от Френската комисия за алтернативни енергии и атомна енергия, подлага миниатюрни проби вода на екстремни условия, каквито се очакват в недрата на ледените гигантски планети.
Те притискат пробите между върховете на диаманти до налягане от 230 гигапаскала, като същевременно използват лазери, за да ги нагреят до хиляди градуси. Това е 2,3 милиона пъти по-високо от атмосферното налягане на Земята на морското равнище – за сравнение, налягането в центъра на Земята е около 360 гигапаскала.
Още: Учени създадоха система за превръщане на отпадъчен въглероден диоксид в полезни химикали
След това, използвайки изключително тесен лъч синхротронни рентгенови лъчи, те проучват промените в кристалната структура на леда. Резултатът е конфигурация, предсказана теоретично, но никога досега не е била наблюдавана еднозначно в експерименти: шестоъгълен плътно опакован (hcp) лед. Докато hcp кристалът се нагрява, неговото разширяване също показва признаци на суперионно поведение, което предполага, че той е преминал в суперионно състояние при около 1700 келвина.
Наименованието се отнася до подредбата на кислородните атоми. Представете си, че подреждате еднакви топки на слоеве; има няколко различни начина, по които тези слоеве могат да бъдат подредени, като топките се натъпкват възможно най-плътно.
Една от вече идентифицираните форми на суперионния лед има кубична структура с центрирани по повърхността атоми (fcc). При новооткрития hcp лед слоевете са подредени в различна последователност. Изследователите откриват доказателства, че едната форма може да се превърне в другата, когато слоевете сменят позицията си.
Тази трансформация изглежда се случва, когато условията стават все по-екстремни. При 155 гигапаскала и 2000 келвина сигналът, наблюдаван от рентгеновата сонда, е смесица от fcc и hcp.
Още: От човешки кожни клетки: Създадоха яйцеклетка, която може да се оплоди
При увеличаване на налягането до 197 гигапаскала и температурата до 2250 келвина, характерният за hcp сигнал става по-силен в сравнение с този на fcc. При последния набор от условия – 219 гигапаскала и 2630 келвина – признаците на fcc структурата са почти изчезнали, а hcp структурата ясно доминира.
Голямо значение за Слънчевата система
Снимка: Envato
Интересното е, че това може би не е бил първият път, в който изследователите са получили hcp лед. Преглеждайки данните от по-ранен експеримент, те осъзнават, че един неидентифициран дотогава пик на рентгеновата дифракция, наблюдаван над 130 гигапаскала, вероятно е бил признак за hcp лед – просто не са го разпознали тогава. Резултатите им сочат, че при налягания над около 200 гигапаскала hcp може да се превърне в по-стабилната структура на суперионния лед.
Още: Поглед в бъдещето: Израелски учени създадоха човешки бъбрек в лаборатория
Изглежда като сравнително малка промяна – буквално в атомен мащаб – но разликата може да има голямо значение за Слънчевата система. Ако hcp ледът проводи електричество по различен начин от fcc леда, неговото присъствие дълбоко в Уран и Нептун би могло да промени моделите за това как материята и електрическият заряд се движат в техните вътрешности – процеси, за които се смята, че участват в генерирането на странните, хаотични и асиметрични магнитни полета на планетите.
Всъщност все още не знаем много за свойствата на hcp леда. Той е открит съвсем наскоро. Изследователите приканват към по-нататъшни теоретични изследвания, за да се разкрият тези свойства – особено механичната му пластичност и електрическата му проводимост.
Още: Сладкото утре: Ще познаем ли вкуса на шоколада, ако е създаден в лаборатория? (ВИДЕО)
Ще са необходими и допълнителни експерименти, за да се определи точно в какъв диапазон от екстремни налягания и температури hcp ледът е стабилен в сравнение с fcc леда. Водата е наистина странна, а суперионният лед е още по-странен. Учените едва сега са докоснали повърхността на това, на което е способна тази странна молекула; в известен смисъл изглежда подходящо, че трябва да разчитаме на нея, за да останем живи.
Резултатите от изследването са публикувани в списанието "Physical Review Letters".
