Nedavno je u laboratoriju za lasersku energiju u Brightonu, New York, jedan od najmoćnijih lasera na svijetu pogodio kap vode, stvarajući udarni val koji je tlak u toj vodi podigao na milijune atmosfere, a temperaturu na tisuće stupnjeva. X-zrake koje su prošle iste kapi u istoj djeliću sekunde pokazale su čovječanstvu prvi pogled na vodu u tako ekstremnim uvjetima. Pokazali su da voda unutar udarnog vala nije postala pregrijana tekućina ili plin. Ne, voda je smrznuta.
Paradoksalno je da se vodeni atomi smrzavaju i formiraju kristalni led. Međutim, kao što su fizičari očekivali, žmirkajući po ekranima u susjednoj sobi.
"Čujete pucanj i u istom trenutku vidite da se dogodilo nešto zanimljivo", kaže Marius Millo iz Nacionalne laboratorije Livermore. Lawrence, koji je proveo eksperiment s Federicom Coppari.
Što se događa s vodom pod visokim tlakom i temperaturom?
Rezultati ovog rada, objavljenog ovog tjedna u Natureu, potvrđuju postojanje "superionskog leda", nove faze vode s bizarnim svojstvima. Za razliku od poznatog leda koji se nalazi u zamrzivaču ili na Sjevernom polu, superionski led je crn i vruć. Kocka ovog leda težila je četiri puta više od uobičajene težine. Njegovo postojanje prvi je put predviđeno prije 30 godina, a iako to nikada ranije nije bilo, znanstvenici vjeruju da je možda jedna od najobilnijih vrsta vode u svemiru.
Čak i u Sunčevom sustavu, većina vode je vjerojatno u obliku superionskog leda - u utrobama Urana i Neptuna. Ima ih više od tekuće vode u oceanima Zemlje, Europe i Enceladusa. Otkriće superionskog leda moglo bi riješiti stare misterije oko sastava tih „ledenih divova“.
Znanstvenici su već otkrili osamnaest nevjerojatnih arhitekata ledenih kristala, uključujući šesterokutni raspored molekula vode u redovitom ledu (Ih). Nakon leda-I, koji dolazi u dva oblika, Ih i Ic, ostali obrasci prema redoslijedu otvaranja broje se od II do XVII. Da, "led-9" zapravo postoji, ali njegova svojstva nisu nimalo ista kao u romanu Kurta Vonneguta "Mačja kolijevka".
Promotivni video:
Superionski led može zahtijevati plašt Led-XVIII. Ovo je novi kristal, ali postoji jedna stvar u njemu. Svi prethodno poznati vodeni sastavi sastoje se od netaknutih molekula vode u kojima je jedan atom kisika vezan na dva vodikova atoma. Ali superionski led, kao što pokazuju nova mjerenja, nije takav. Postoji u vrsti nadrealnog režnja, napola kruta, napola tečna. Pojedinačne se molekule vode raspadaju. Atomi kisika formiraju kubnu rešetku, ali se atomi vodika slobodno prolijevaju teče poput tekućine kroz krutu ćeliju kisika.
Stručnjaci kažu da otkriće superionskog leda opravdava računalna predviđanja koja bi materijalnim fizičarima mogla pomoći u stvaranju budućih tvari s individualnim svojstvima. A otkriće ovog leda zahtijevalo je ultra brza mjerenja i preciznu kontrolu temperature i tlaka, što je postalo moguće tek poboljšanjem eksperimentalnih metoda.
Fizičarka Livia Bove iz francuskog Nacionalnog centra za znanstvena istraživanja vjeruje da, budući da se molekule vode raspadaju, to nije baš nova faza vode. "To je novo stanje materije, prilično impresivno."
Slagalice od leda
Fizičari su dugi niz godina lovili superionski led - otkad je primitivna računalna simulacija Pierfranca Demontesa 1988. predvidjela da će voda poprimiti ovaj čudan, gotovo metalni oblik ako se gurne izvan mape poznatih faza leda.
Modeliranje je pokazalo da se pod jakim pritiskom i toplinom molekule vode uništavaju. Atomi kisika zatvoreni su u kubnoj rešetki i "vodik počinje skakati s jednog položaja u kristalu na drugi, iznova i iznova", kaže Millo. Ovi skokovi između rešetkastih mjesta toliko su brzi da se atomi vodika - koji ioniziraju, pretvarajući se u protone s pozitivnim nabojem - ponašaju poput tekućine.
Pretpostavlja se da će superionski led provoditi električnu energiju poput metala, a vodik će djelovati kao elektroni. Prisutnost ovih slobodnih atoma vodika također će povećati poremećaj leda, njegovu entropiju. S druge strane, povećanje entropije učinit će led stabilnijim od ostalih vrsta ledenih kristala, zbog čega će njegova talište porasti.
Lako je sve to zamisliti, u to je teško vjerovati. Prvi su modeli koristili pojednostavljenu fiziku, probijajući se kvantnom prirodom pravih molekula. Kasnije simulacije dodale su još kvantne efekte, ali su ipak zaobišle stvarne jednadžbe potrebne za opisivanje interakcije više kvantnih tijela, što je preteško izračunati. Umjesto toga, oslanjali su se na aproksimacije, što je povećalo vjerojatnost da će cijeli ovaj scenarij biti miraz u simulaciji. U međuvremenu, pokusi nisu mogli stvoriti potreban tlak i stvoriti dovoljno topline da se rastopi ova jaka tvar.
I kad su svi već odustali od ovog pothvata, planetarni znanstvenici izrazili su vlastite sumnje da voda može imati superionsku fazu leda. Otprilike u isto vrijeme kada je ta faza prvo predviđena, sonda Voyager 2 ušla je u vanjski Sunčev sustav i otkrila nešto neobično u magnetskim poljima ledenih divova Urana i Neptuna.
Polja oko drugih planeta u Sunčevom sustavu čini se da su sastavljena od dobro definiranih sjevernih i južnih polova, bez posebne strukture. Izgleda da sadrže magnetske stupove usklađene s osovinama rotacije. Planetolozi to povezuju s „dinamovima“: unutarnja područja u kojima se vodljivi fluid kreće i okreće se kako se planet okreće, stvarajući ogromna magnetska polja.
Suprotno tome, magnetska polja koja proizlaze iz Urana i Neptuna izgledala su glomaznije i složenije, s više od dva pola. Oni se također nisu uskladili blizu rotacije svojih planeta. Jedan od načina za to je nekako voditi tekućinu koja je odgovorna za dinamo, samo na tanku vanjsku ljusku planeta, umjesto da dozvoli prodiranju u jezgru.
Ali ideja da ovi planeti mogu imati čvrste jezgre koje ne bi mogli generirati dinamu nije se činila realnom. Ako probušite ove ledene divove, očekivali biste da ćete prvo naići na sloj jonske vode koji će teći, provoditi struje i sudjelovati u dinamo. Čini se da će i dublji materijal, čak i pri višim temperaturama, također biti tekuć, ali to je naivno. Planetarni znanstvenici šale se da crijeva Urana i Neptuna uopće ne mogu biti čvrsta. Ali pokazalo se da mogu.
Prskanje leda
Coppari, Millo i njihov tim sastavili su dijelove slagalice.
U ranijem eksperimentu objavljenom u veljači 2018. fizičari su pribavili neizravne dokaze za postojanje superionskog leda. Stisnuli su kap vode sobne temperature između zašiljenih krajeva dva izrezana dijamanta. Kad se tlak popeo na gigapaskal, što je oko 10 puta više nego na dnu Marijanskog rova, voda se pretvorila u tetragonalni kristal, led-VI. Na dva gigapaskala pretvorena je u led-VII, gušći, kubični oblik proziran golim okom za koji su znanstvenici nedavno otkrili da postoje i u sićušnim džepovima unutar prirodnih dijamanata.
Zatim je pomoću OMEGA lasera u laboratoriji za lasersku energiju Millo i njegovi kolege ciljali na Ice-VII i dalje se uvlačio među dijamantne nakovice. Kad je laser pogodio površinu dijamanta, isparavao je materijal prema gore, u osnovi bacajući dijamant u suprotnom smjeru i šaljući udarni val kroz led. Milloov tim otkrio je da se super komprimirani led topi na oko 4.700 Celzijevih stupnjeva, kako se i očekivalo za superionski led, i da je on provodio struju kroz kretanje nabijenih protona.
Nakon što su potvrđena predviđanja o osnovnim svojstvima superionskog leda, novo istraživanje Copparija i Milloa trebalo je potvrditi njegovu strukturu. Ako želite potvrditi kristalnu prirodu, potrebna vam je difrakcija rendgenskih zraka.
Njihov je novi eksperiment uopšte propustio led-VI i led-VII. Umjesto toga, tim je jednostavno razbio vodu između dijamantnih nakovanja laserskim pucanjem. Milijardi sekunde kasnije, kako su udarni valovi prodirali i voda je počela kristalizirati u nanometrske kocke leda, znanstvenici su dodali još 16 laserskih zraka kako bi isparili tanki komad željeza pored uzorka. Rezultirajuća plazma preplavila je kristalizirajuću vodu s X-zrakama, koja su potom difrirala od kristala leda i omogućila timu da razlikuje njihovu strukturu.
Atomi u vodi preuredili su se u dugo predviđenu, ali nikad viđenu arhitekturu, led-XVIII: kubičnu rešetku s atomima kisika na svakom uglu i u sredini svakog lica.
I ovakva uspješna unakrsna validacija simulacija i stvarnog superionskog leda upućuje na to da se uskoro može postići konačni „san“istraživača fizike materijala. "Kažete mi koja su vam materijalna svojstva potrebna, idemo do računala i teoretski utvrdimo koji materijal i koja kristalna struktura vam treba", kaže Raymond Janlose, znanstvenik sa Sveučilišta u Berkeleyu u Kaliforniji.
Nova analiza također nagovješćuje da, iako superionski led vodi nešto struje, on je labav, ali čvrst. Postupno će se širiti, ali neće teći. Tako se tekući slojevi unutar Urana i Neptuna mogu zaustaviti oko 8000 kilometara u unutrašnjosti, gdje će započeti ogroman plašt nestabilnog superionskog leda. To ograničava većinu dinamovih djelovanja na manjim dubinama, s obzirom na neobična polja planeta.
Ostali planeti i Mjesečevi u Sunčevom sustavu vjerojatno nemaju unutarnje temperature i pritiske koji bi omogućili postojanje superionskog leda. Ali mnoštvo egzoplaneta veličine ledenih divova sugerira da će se ta tvar - superionski led - distribuirati u ledenim svjetovima širom galaksije.
Naravno, niti jedan planet neće sadržavati vodu sam. Ledeni divovi u našem Sunčevom sustavu također su pomiješani s metanom i amonijakom. Do koje će mjere superionsko ponašanje zapravo naći mjesto u prirodi "ovisit će o tome postoje li te faze kad miješamo vodu s drugim materijalima", kažu znanstvenici. Međutim, mora postojati i superionski amonijak.
Eksperimenti se nastavljaju. Mislite li da ćemo jednog dana otkriti što je u središtu najvećih tijela u našem sunčevom sustavu?
Ilya Khel