Учёные раскрыли сложную структуру суперионной воды, которая может объяснять магнитные поля ледяных гигантов

Вода при температуре в тысячи градусов Цельсия и давлении в миллионы атмосфер переходит в редкое состояние, известное как суперионная вода. В этой фазе атомы кислорода образуют жёсткую кристаллическую решётку, а ионы водорода свободно движутся внутри неё, что обеспечивает высокую электропроводность.

Схематическое изображение микроскопической структуры суперионной воды. Атомы кислорода (красные) образуют твёрдую кристаллическую решётку, а ионы водорода (белые) могут свободно перемещаться внутри неё. С помощью мощных лазеров это экстремальное состояние, которое в природе встречается только внутри крупных планет, удалось измерить экспериментально. Автор: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Эта необычная форма воды является ключевым кандидатом для объяснения странных магнитных полей, наблюдаемых у ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун. Считается, что в их недрах содержатся огромные количества воды, а значит, суперионная вода может быть доминирующей формой воды в значительной части Солнечной системы.

Ранее учёные уже создавали суперионную воду в лаборатории, но её внутренняя структура оставалась плохо изученной. Предполагалось, что атомы кислорода выстраиваются в один из двух простых кубических паттернов.

Новое исследование, проведённое на мощных рентгеновских лазерах LCLS в США и European XFEL, показало, что реальность сложнее. Атомы кислорода образуют смешанную структуру, сочетающую области с гранецентрированной кубической упаковкой и гексагональные плотноупакованные слои. Там, где эти области сливаются, возникает широко распространённый структурный беспорядок — гибридная и нерегулярная последовательность.

Вода, несмотря на кажущуюся простоту, продолжает демонстрировать неожиданное и замечательное поведение в экстремальных условиях.

Эксперименты позволили сжать воду до давления, превышающего 1,5 миллиона атмосфер, и нагреть до нескольких тысяч градусов, делая снимки её атомной структуры за триллионные доли секунды. Результаты соответствуют самым современным компьютерным симуляциям и показывают, что суперионная вода, как и обычный лёд, может существовать в нескольких структурных формах.

Эти данные помогают уточнить модели внутреннего строения и долгосрочной эволюции ледяных гигантов, которые, как полагают, широко распространены во Вселенной. В исследовании приняли участие более 60 учёных из Европы и США при поддержке Немецкого научно-исследовательского общества (DFG) и французского агентства ANR.