Учёные впервые изучили лёд при давлении свыше 220 ГПа и нашли новую структуру

Исследования показали, что при давлении свыше 222 гигапаскалей структура льда теряет симметрию, отличающуюся от фазы льда X. Физики выявили экспериментальные признаки перехода льда в новую структурную фазу при давлениях, превышающих 222 гигапаскаля, что составляет примерно 2,2 миллиона раз больше атмосферного давления на уровне моря. В таких условиях твёрдая вода перестаёт сохранять кубическую симметрию своей кристаллической решётки. Эти результаты уточняют границы существования льда X, который представляет собой плотную фазу воды с кубической структурой. Об этом сообщает издание iXBT.com.

Для достижения таких давлений учёные использовали алмазные наковальни, сжимая образцы воды. Структуру вещества исследовали с помощью синхротронной рентгеновской дифракции, где рентгеновские лучи рассеиваются на упорядоченных атомах, позволяя восстановить характеристики кристаллической решётки. Измерения проводились при комнатной температуре. До давления около 222 гигапаскалей данные соответствовали льду X, но при дальнейшем сжатии на дифракционной картине появился дополнительный пик, а при 230 гигапаскалях разделение пиков стало заметным.

Наблюдаемое изменение не может быть объяснено только механическими напряжениями, возникающими при неравномерном сжатии образца. Эти напряжения способны расширять дифракционные пики, но не могут объяснить появление новых отражений и устойчивое расщепление пиков. Учёные также проверили возможность объяснения эффекта значительным перепадом давления внутри образца, но расчёты показали, что для этого потребовалась бы неправдоподобно большая разница давлений.

Пока по экспериментальным данным невозможно точно определить строение новой фазы. Результаты согласуются с двумя вариантами кристаллической симметрии: орторомбической Pbcm и тетрагональной P42/nnm. Первый вариант предпочтителен в теоретических расчётах, однако второй лучше описывает полученные дифракционные данные. Из-за малых размеров образцов и ограничений рентгеновских измерений исследователи пока не могут окончательно определить структуру.

Переход интересен тем, что при сжатии вещества часто стремятся к плотной упаковке атомов, однако экстремальные давления могут приводить к снижению симметрии. В случае льда X изменение структуры связано с перестройкой расположения атомов кислорода и водорода. По расчётам, новая фаза плотнее исходной, а изменения связей между атомами могут влиять на свойства воды при экстремальном сжатии.

Результаты имеют значение для моделей водных планет. Данные космического аппарата «Вояджер-2» и расчёты внутреннего строения Урана и Нептуна предполагают существование в недрах этих планет обширных водосодержащих слоёв при давлениях, охватывающих диапазон, исследованный в лаборатории. Кристаллическая структура вещества влияет на его плотность, электропроводность и теплопередачу, что, в свою очередь, сказывается на моделях внутренней динамики планет и формирования их магнитных полей. При этом авторы подчеркивают, что пока не установлено, сохраняется ли новая низкосимметричная фаза при высоких температурах, характерных для недр планет.