Recent, la Laboratorul de Energie Laser din Brighton, New York, unul dintre cele mai puternice lasere din lume a lovit o picătură de apă, creând o undă de șoc care a ridicat presiunea din acea apă la milioane de atmosfere și temperatura la mii de grade. Razele X care au trecut prin această picătură în aceeași secundă divizată au arătat umanității prima strălucire a apei în astfel de condiții extreme. Ei au arătat că apa din valul de șoc nu a devenit un lichid sau gaz supraîncălzit. Nu, apa este înghețată.
Paradoxal, atomii de apă au înghețat pentru a forma gheață cristalină. Cu toate acestea, așa cum se așteptau fizicienii, aruncând ochii pe ecranele din camera alăturată.
„Auzi o lovitură și în același moment vezi că s-a întâmplat ceva interesant”, spune Marius Millo de la Laboratorul Național Livermore. Lawrence, care a condus experimentul cu Federica Coppari.
Ce se întâmplă cu apa la presiune și temperatură ridicată?
Rezultatele acestei lucrări, publicată săptămâna aceasta în Nature, confirmă existența „gheții superionice”, o nouă fază de apă cu proprietăți bizare. Spre deosebire de gheața familiară găsită în congelator sau la Polul Nord, gheața superionică este neagră și fierbinte. Un cub din această gheață cântărea de patru ori greutatea obișnuită. Existența sa a fost prezisă pentru prima dată în urmă cu peste 30 de ani și, deși nu a mai fost văzută până acum, oamenii de știință cred că poate fi unul dintre cele mai abundente tipuri de apă din univers.
Chiar și în sistemul solar, cea mai mare parte a apei este probabil sub formă de gheață superionică - în intestinele Uranului și Neptunului. Există mai mult decât apă lichidă în oceanele Pământului, Europa și Enceladus. Descoperirea gheții superionice ar putea rezolva vechile mistere despre compoziția acestor „uriași gheață”.
Oamenii de știință au descoperit deja optsprezece arhitecturi uimitoare de cristale de gheață, inclusiv aranjarea hexagonală a moleculelor de apă din gheața obișnuită (Ih). După gheață-I, care vine în două forme, Ih și Ic, restul formularelor sunt numerotate de la II la XVII în ordinea deschiderii. Da, „ice-9” există de fapt, dar proprietățile sale nu sunt deloc aceleași ca în romanul lui Kurt Vonnegut „Leagănul pisicii”.
Video promotional:
Gheața superionică poate pretinde mantaua Ice-XVIII. Acesta este un cristal nou, dar există un lucru în el. Toți jeturile de apă cunoscute anterior sunt compuse din molecule de apă intacte, în care un atom de oxigen este legat la doi atomi de hidrogen. Dar gheața superionică, așa cum arată noile măsurători, nu este așa. Există într-un fel de membre suprarealist, pe jumătate solid, pe jumătate lichid. Moleculele individuale de apă se dezintegrează. Atomii de oxigen formează o rețea cubică, dar atomii de hidrogen se vărsă liber, curgând ca lichidul printr-o celulă rigidă de oxigen.
Experții spun că descoperirea gheții superionice justifică predicțiile computerului care ar putea ajuta fizicienii materiali să creeze substanțe viitoare cu proprietăți individuale. Și descoperirea acestei gheți a necesitat măsurări ultra rapide și un control precis al temperaturii și presiunii, ceea ce a devenit posibil doar odată cu îmbunătățirea metodelor experimentale.
Fizicianul Livia Bove din cadrul Centrului Național de Cercetări Științifice din Franța consideră că, deoarece moleculele de apă se descompun, aceasta nu este tocmai o nouă fază a apei. „Este o nouă stare de fapt, care este destul de impresionantă”.
Puzzle-uri de gheață
Fizicienii vânează gheață superionică de mai mulți ani - de când o simulare computerizată primitivă realizată de Pierfranco Demontes în 1988 a prezis că apa va prelua această formă ciudată, aproape metalică, dacă ar fi împinsă pe harta fazelor de gheață cunoscute.
Modelarea a arătat că, sub presiune puternică și căldură, moleculele de apă sunt distruse. Atomii de oxigen sunt prinși într-o rețea cubică, iar „hidrogenul începe să sară dintr-o poziție în cristal într-o alta, iar și iar”, spune Millo. Aceste salturi între siturile de zăbrele sunt atât de rapide încât atomii de hidrogen - care ionizează, devenind în esență protoni încărcați pozitiv - se comportă ca un lichid.
S-a sugerat că gheața superionică va conduce electricitatea ca un metal, iar hidrogenul va acționa ca electroni. Prezența acestor atomi de hidrogen liber va crește, de asemenea, tulburarea gheții, entropia acesteia. La rândul său, creșterea entropiei va face gheața mai stabilă decât alte tipuri de cristale de gheață, ca urmare a căreia punctul său de topire va crește.
Este ușor să vă imaginați toate acestea, este dificil să credeți în ea. Primele modele au folosit fizica simplificată, răsfrânând natura cuantică a moleculelor reale. Simulările ulterioare au adăugat mai multe efecte cuantice, dar totuși au evitat ecuațiile reale necesare pentru a descrie interacțiunea mai multor corpuri cuantice, care este prea greu de calculat. În schimb, s-au bazat pe aproximări, ceea ce a crescut probabilitatea ca acest întreg scenariu să se dovedească a fi un miraj în simulare. Între timp, experimentele nu au putut să creeze presiunea necesară și să genereze suficientă căldură pentru a topi această substanță puternică.
Și când toată lumea a abandonat deja această aventura, oamenii de știință planetari și-au exprimat propriile suspiciuni că apa poate avea o fază superionică de gheață. Cam în același timp în care a fost prevăzută pentru prima dată această fază, sonda Voyager 2 a intrat în sistemul solar exterior și a descoperit ceva ciudat în câmpurile magnetice ale gigantilor de gheață Uranus și Neptun.
Câmpurile din jurul altor planete din sistemul solar par a fi compuse din poli nordici și sud bine definiți, fără o altă structură particulară. Se pare că conțin magneți de bare aliniați cu axele de rotație. Planetologii asociază acest lucru cu „dinamele”: regiuni interioare în care fluidele conductoare se ridică și se învârt pe măsură ce planeta se rotește, creând câmpuri magnetice uriașe.
În schimb, câmpurile magnetice emanate de Uranus și Neptun arătau mai greoaie și complexe, cu mai mult de doi poli. De asemenea, nu s-au aliniat aproape de rotația planetelor lor. O modalitate de a face acest lucru este de a limita într-un fel fluidul conductor, responsabil pentru dinamom, doar o coajă exterioară subțire a planetei, în loc să îi permită să pătrundă în miez.
Dar ideea că aceste planete ar putea avea nuclee solide care nu puteau genera dinamuri nu părea realistă. Dacă ați forat prin acești giganți de gheață, așteptați să întâlniți mai întâi un strat de apă ionică care va curge, va conduce curenți și va participa la un dinam. Se pare că materialul chiar mai profund, chiar și la temperaturi mai ridicate, va fi de asemenea lichid, dar acest lucru este naiv. Cercetătorii planetari au o glumă că intestinele lui Uranus și Neptun nu pot fi deloc solide. Dar s-a dovedit că pot.
Exploatarea gheții
Coppari, Millo și echipa lor au pus laolaltă piesele de puzzle.
Într-un experiment anterior publicat în februarie 2018, fizicienii au obținut dovezi circumstanțiale pentru existența gheții superionice. Au strecurat o picătură de apă la temperatura camerei între capetele ascuțite ale două diamante tăiate. Când presiunea s-a ridicat la aproximativ un gigapascal, care este de aproximativ 10 ori mai mare decât în partea de jos a Trench-ului Mariana, apa s-a transformat într-un cristal tetragonal, gheață-VI. La 2 gigapascali, s-a transformat în gheață-VII, o formă cubică mai densă, transparentă pentru ochiul liber, pe care oamenii de știință au descoperit-o recent, există și în buzunare minuscule din interiorul diamantelor naturale.
Apoi, folosind un laser OMEGA la Laser Energy Lab, Millo și colegii săi s-au îndreptat spre Ice-VII, încă între sandvișuri cu diamante. Când laserul a lovit suprafața diamantului, acesta a vaporizat materialul în sus, aruncând în esență diamantul în direcția opusă și trimitând o undă de șoc prin gheață. Echipa lui Millo a descoperit că gheața super-comprimată s-a topit la aproximativ 4.700 de grade Celsius, așa cum era de așteptat pentru gheața superionică și că a condus electricitate prin mișcarea protonilor încărcați.
După ce au fost confirmate predicțiile cu privire la proprietățile cele mai mari ale gheții superionice, un nou studiu realizat de Coppari și Millo ar fi trebuit să-i confirme structura. Dacă doriți să confirmați natura cristalină, aveți nevoie de difracția cu raze X.
Noul lor experiment a lipsit cu desăvârșire gheața-VI și gheața-VII. În schimb, echipa a spart pur și simplu apa între nicovale cu diamant cu fotografii cu laser. Miliarde de secunde mai târziu, în timp ce valurile de șoc au pătruns și apa a început să cristalizeze în cuburi de gheață nanometru, oamenii de știință au adăugat încă 16 raze laser pentru a vaporiza o bucată subțire de fier de lângă probă. Plasma rezultată a inundat apa cristalizantă cu raze X, care apoi s-au distras de cristalele de gheață și au permis echipei să distingă structura lor.
Atomii din apă s-au rearanjat în arhitectura mult timp prevăzută, dar niciodată văzută, gheață-XVIII: o rețea cubică cu atomi de oxigen la fiecare colț și în centrul fiecărei fețe.
Și acest tip de validare încrucișată atât a simulărilor cât și a gheții superionice reale sugerează că „visul” final al cercetătorilor în fizică materială poate fi în curând realizat. „Îmi spui ce proprietăți materiale ai nevoie, mergem la un computer și teoretic ne dăm seama ce material și ce structură de cristal ai nevoie”, spune Raymond Janlose, un om de știință de la Universitatea din California, Berkeley.
Noua analiză sugerează și faptul că, în timp ce gheața superionică conduce o anumită energie electrică, ea este liberă, dar solidă. Se va răspândi treptat, dar nu va curge. Astfel, straturile lichide din interiorul lui Uranus și Neptun se pot opri în jur de 8000 de kilometri spre interior, unde va începe o manta uriașă de gheață superionică nesigură. Aceasta limitează cea mai mare acțiune dinamică la adâncimi mai reduse, având în vedere câmpurile neobișnuite ale planetelor.
Alte planete și lunile din sistemul solar probabil nu au temperaturile și presiunile interne care ar permite existența gheții superionice. Dar multitudinea de exoplanete de dimensiunea giganților de gheață sugerează că această substanță - gheața superionică - va fi distribuită în lumile de gheață pe întreaga galaxie.
Desigur, nicio planetă nu va conține apă singură. Giganții de gheață din sistemul nostru solar sunt, de asemenea, amestecate cu metan și amoniac. Măsura în care comportamentul superionic își găsește de fapt un loc în natură „va depinde dacă aceste faze există atunci când amestecăm apa cu alte materiale”, spun oamenii de știință. Cu toate acestea, amoniacul superionic trebuie să existe și el.
Experimentele continuă. Credeți că vom afla într-o zi ce este în centrul celor mai mari corpuri din sistemul nostru solar?
Ilya Khel
