Чёрное сердце Нептуна, или как был открыт суперионный лёд +36


В начале этого года я с огромным интересом прочёл книгу «Задача трёх тел». Эта книга затрагивает и многие другие темы с переднего края науки, как прямо (сверхпрочные наноматериалы, передача информации, компактные ядерные реакторы и бомбы), так и очень иносказательно. Вот особенно впечатлившее меня описание бреда главной героини, которую облили ледяной водой за отказ оговорить себя и коллег: 

Постепенно ледяной монолит, заключивший её, стал прозрачным. Вэньцзе различила перед собой высокое здание. На самом верху какая-то девочка размахивала красным знаменем. Её тонкая фигурка казалась совсем крошечной по сравнению с огромным полотнищем. Это была Вэньсюэ. С того момента, когда сестра порвала со своей семьей учёных реакционеров, она не давала о себе знать. Совсем недавно Вэньцзе сказали, что Вэньсюэ погибла два года назад в одной из стычек между фракциями хунвэйбинов.

На глазах у Е фигурка, размахивающая флагом, превратилась в Бай Мулиня. В его очках отразился охвативший здание огонь. Затем Бай превратился в представителя Чэн, потом в мать Е, Шао Линь, потом в отца. Девочка со знаменем продолжала преображаться, но флаг реял и реял, не переставая, будто вечный маятник, отсчитывающий мгновения её короткой жизни.

Вскоре флаг превратился в размытое пятно. Всё вокруг словно вылиняло. Вэньцзе вновь застыла в самой сердцевине ледяного монолита, заполнявшего Вселенную. Только на этот раз лёд был чёрным.

Вероятно, автор осознанно намекал читателю на существование чёрного горячего льда, а также других метастабильных форм воды. При высоких температурах и на больших глубинах (такие условия могут существовать в недрах Урана, Нептуна и типичных экзопланет-гигантов) ионизированная вода должна принимать самые разные экзотические формы, которые можно получить на Земле в микроскопических дозах при сверхвысоком давлении. На Хабре уже была новость об этих удивительных агрегатных состояниях, для которых есть общее наименование «суперионный лёд».

В 1988 году группа учёных под руководством Пьерфранко Демонтиса из Пенсильванского университета заинтересовалась физическими свойствами льда. Был в этой команде и Ричард ЛеСар, трудившийся в Лос-Аламосской лаборатории, где изучались взрывы и физика высоких давлений. Коллеги опубликовали статью всего на 4 страницы, в которой описали результаты компьютерной симуляции. В этой симуляции они смоделировали фазовую диаграмму твёрдых состояний воды, то есть, различные структуры водяного льда. Согласно этой модели, при высоких давлениях (от 10 ГПа) лёд должен приобретать всё более выраженную кристаллическую решетку. Примерно при 20 ГПа она становится кубической (фаза лёд VII). При 42 ГПа (фаза лёд X) лёд становится ионизированным, проводит электричество и сохраняется в твёрдом состоянии при температуре свыше 720 ℃. При нагревании примерно до 1700 ℃ наступает фаза лёд XI, в которой электропроводящие свойства льда становятся ещё сильнее, а при дальнейшем увеличении температуры и давления лёд должен переходить в суперионное состояние и, возможно, становиться металлическим.

До проверки этой модели оставалось ещё около 30 лет.

Но описываемый период (вторая половина 1980-х) характеризовался общим всплеском интереса к физике высоких давлений. Это было продиктовано как прикладной военной целесообразностью, так и геофизическими и геологоразведочными разработками. К концу XX века, когда ещё продолжалась эйфория от первых успехов космонавтики, ближний космос был изучен гораздо подробнее, чем ближайшие недра. Даже Кольская сверхглубокая скважина, бурение которой продолжалось с 1970 по 1991 год, достигает глубины 12,3 км при радиусе Земли около 6370 км. Агрегатные состояния вещества в недрах Земли должны существенно отличаться от состояний тех же веществ на поверхности в силу несравнимо более компактного расположения атомов. Таким образом, можно предположить, что в глубинах газовых гигантов находится концентрированный водород, сжатый, возможно, до металлического или жидкометаллического состояния.     

Ячейки с алмазными наковальнями

Бывает, что теоретическая база для новой научной дисциплины или предметной области уже созрела, но нужен счастливый случай, чтобы было сделано последнее необходимое изобретение — и исследования выплеснулись в практическую плоскость. В конце 1950-х Чарльз Вейр изобрёл устройство, которое назвал «ячейка с алмазными наковальнями». Он работал в Национальном Бюро Стандартов США, и служебное положение позволяло ему пользоваться различным конфискатом, в том числе, бриллиантами. Поскольку алмаз является самым прочным минералом в природе, оказалось возможным сделать прибор, в котором между двумя алмазными «тисками» помещался микроскопический образец исследуемого материала, после чего этот материал можно было сжать до геологических гигапаскалей.

Я не буду подробно останавливаться на эволюции и устройстве различных моделей таких ячеек, на эту тему есть замечательная статья на «Элементах». Наиболее известным кейсом применения ячеек (далее – DAC, «diamond anvil cell») в конце 1980-х были попытки получить твёрдый водород: так как водород, учитывая его положение в таблице Менделеева, в твёрдом состоянии должен проявлять металлические и, скорее всего, магнитные свойства.   

Но устройство ячеек сразу располагало к тому, чтобы применять их в кристаллографии. Жидкие, коллоидные и аморфные вещества хуже поддаются контролируемому сжатию, чем кристаллическая решетка. Для достижения максимального сжатия образца применяется не постепенное нагнетание давления, а резкое воздействие, в наиболее современных моделях ячеек – ударная волна или лазер. В момент такого сжатия образец также просвечивается методом рентгеновской кристаллографии. Поскольку длина волны рентгеновского излучения сопоставима с длиной атомной связи в кристалле, дифракционный рисунок с высокой точностью передаёт структуру анализируемого кристалла.

При этом, когда давление возрастает так быстро и резко, как в DAC, атомы сильно сближаются друг с другом. В веществах, уже обладавших кристаллической решеткой, структура решетки сильно меняется, а в аморфных веществах  кристаллическая решетка спонтанно возникает.

Успехи по получению металлического водорода с помощью алмазных наковален можно назвать очень скромными. В 2017 году команда гарвардских ученых, кажется, даже получила в ячейке то ли жидкий, то ли твердый металлический водород, приложив к образцу такое давление, что один из алмазов разрушился – но сразу потеряла образец. Неизвестно, испарился ли этот водород, либо так и лежит маленькой капелькой где-то в лаборатории. Тем не менее, эти исследования позволили развить практические навыки по работе с алмазными наковальнями и подготовили почву для исследований, о которых идёт речь в этой статье.

Магнитные поля гигантов

Итак, именно поиски природного металлического водорода привлекли внимание планетологов как к геомагнитному динамо, так и к аналогичным явлениям на других планетах Солнечной системы, обладающих магнитным полем.

Первые прямые измерения магнитных полей Юпитера и Сатурна были выполнены «Вояджерами» и показали, что у этих планет чётко локализуются северный и южный магнитный полюс, а какие-либо другие детали их магнитных полей не просматриваются. Можно было представить, что в центре Юпитера или Сатурна находится длинный магнитный стержень, ориентированный по оси вращения планеты. Вероятное объяснение заключается в том, что недра этих планет заполнены электропроводящей жидкостью, образующей «водовороты» из-за вращения планеты и равномерно распределённой в недрах, из-за чего планета и окружена мощным магнитным полем.

Напротив, конфигурация магнитных полей Урана и Нептуна существенно иная. Эти магнитные поля имеют явно больше двух полюсов, обладают неодинаковой интенсивностью в разных регионах планеты и не вполне совпадают с осью вращения гиганта. Уран и Нептун определённо обладают собственным магнитным динамо, но его источник, скорее всего, находится не в самом центре планеты, а распределен под поверхностью (атмосферой) сравнительно тонким слоем, и толщина этого слоя с течением времени варьируется.

Можно представить, что нептуноподобные планеты, в отличие от юпитероподобных, имеют не только газовую атмосферу, но и плотное твёрдое ядро, сравнимое с литосферой. Их магнитное динамо в таком случае локализуется в среднем слое, пролегающем между атмосферой и ядром и генерируется ионизированной водой или ионизированным льдом. В глубинах условного Нептуна давление должно быстро возрастать, а вместе с ним будет возрастать и температура, но само проводящее вещество там будет напоминать водяной или аммиачный лёд.

Плотностные профили Урана и Нептуна, измеренные к концу XX века, позволили предположить: между газовой оболочкой и скалистым ядром этих планет расположен относительно толстый текучий вязкий слой, представляющий собой смесь льдов: водяного, аммиачного и углеводородных. Примерно 56% этого слоя приходится на водяной лед, 36% — на метановый, 8% — на аммиачный. Давление и температура внутри этого ледяного слоя варьируются от 20 ГПа и 1700 ℃ как минимум до 120 ГПа и 6500 ℃.

Многие наблюдаемые свойства этих планет (в частности, гравитационный момент и состав атмосфер) должны зависеть именно от физико-химических характеристик данного слоя.

Дивный новый лёд

С конца 1990-х и до наших дней агрегатные состояния льда в условиях сверхвысоких давлений активно исследуются в лаборатории с использованием лазера и алмазных наковален. Привычный нам аморфный лёд обозначен как «лед I» (на самом деле, он существует в двух вариантах, Ih и Ic), а кроме него на момент подготовки этой статьи известны и другие формы льда, вплоть до льда-XVIII (спойлер: даже лед-IX). Тем не менее, вплоть до 2021 года прямых доказательств существования суперионного льда не существовало.  

При описываемых здесь экстремальных температурах и давлениях химические связи в молекулах воды рвутся. Атомы кислорода выстраиваются в четырехугольную кристаллическую решетку, а ионизированные атомы водорода (фактически, это голые протоны) начинают свободно прыгать в этой решетке. Такое вещество напоминает не столько жидкость, сколько кашицу, а данная модель ионизации является уникальной, поскольку переносчиками электрического заряда являются не свободные электроны, а свободные протоны.

В 2021 году в Аргоннской национальной лаборатории в штате Иллинойс удалось получить лёд XVIII в ячейке с алмазными наковальнями под действием лазера. Эксперимент провели Виталий Прокопенко, Сергей Лобанов и Николас Хольтвреге (сотрудники Чикагского университета) и Александр Гончаров из Института Карнеги в Вашингтоне. Оказалось, что эта фаза льда образуется в DAC при давлении всего 20 ГПа, но существует очень недолго: когда воздействие лазера прекращается, а давление падает до атмосферного, лёд XVIII быстро превращается в обычный лёд и тает. Таким образом, налицо именно физический фазовый переход, а не химическая реакция. Опыт ставился не только при давлении 20 ГПа, но и при давлениях до 150 ГПа и температуре свыше 6200 ℃, эти условия уже довольно близки к агрегатному состоянию нептунианских глубин.

Таким образом, лёд XVIII – это вода, пусть и очень экзотическая, чья химическая формула далека от H2O. Лёд XVIII действительно проявляет суперионные свойства. Визуально это вещество весьма отдаленно напоминает обычный лёд; оно темное, поскольку по-другому отражает свет. Лёд-XVIII медленно течёт, так как плотность у него гораздо ниже, чем у обычного льда.

Детали химических свойств суперионного льда пока остаются практически неисследованными. Тем не менее, сам факт его существования доказывает, что при нужном (очень высоком) давлении обычный лёд может стать источником для материала, дающего сильное и, возможно, управляемое магнитное поле. Кроме того, классификация экзопланет показывает, что горячие и холодные планеты, напоминающие по массе и химическому составу Уран и Нептун, должны быть повсеместно распространены во Вселенной. Именно поэтому горячий черный суперионный лёд (вполне вероятно, что существует и XX-я его фаза, и другие) может оказаться самым распространённым агрегатным состоянием воды в природе.




Комментарии (9):

  1. brotchen
    /#24625800 / +3

    Лёд-XVIII медленно течет, так как плотность у него гораздо ниже, чем у обычного льда

    Как получилось, что лёд при высоком давлении имеет меньшую плотность?

    • Sergeant101
      /#24626750 / -1

      Плотность к текучести никак не относится: железо например плавает в ртути при комнатной температуре.

      • paranoid_sonata
        /#24629060 / +1

        Плавает, но ведь не течёт. Текучесть это не есть плавучесть.

      • vconst
        /#24629092

        Текучесть — это не когда плавает, а когда деформируется под давлением, как алюминиевые провода совоквой проводки в винтовых клеммах

  2. vconst
    /#24625836 / -5

    + за ЗТТ :)

    В начале этого года
    Долго вы до нее добирались :)

    • AlexanderS
      /#24626400

      Да всего полтора десятка лет. Я вон, Дюну в прошлом году впервые прочитал, оригинальную серию из 6 книг…

      • vconst
        /#24626452

        То есть, автор публикации — ЗТТ на китайском читал ?)

  3. azTotMD
    /#24628158 / +1

    лёд XVIII быстро превращается в обычный лёд и тает. Таким образом, налицо именно физический фазовый переход, а не химическая реакция.

    и

    Таким образом, лёд XVIII – это вода, пусть и очень экзотическая, чья химическая формула далека от H2O

    противоречат друг другу