Zespół pod zarządem Alexisa Forestiera poddali wodę działaniu ekstremalnych warunków, przypominających te panujące we wnętrzach lodowych olbrzymów. Próbka trafiła pomiędzy diamentowe kowadła, a następnie została wystawiona na potężne ciśnienie. W eksperymencie osiągnęło ono nawet 230 gigapaskali, czyli około 2,3 miliona razy więcej niż ciśnienie atmosferyczne na powierzchni Ziemi.
Czytaj też: Jedno z najzimniejszych miejsc we wszechświecie powstało w USA. Daleko mu do zwykłej lodówki
Jednocześnie naukowcy ogrzewali próbkę za pomocą laserów. W szczytowym momencie eksperymentu temperatura osiągnęła około 2350 stopni Celsjusza. W normalnych warunkach woda w takiej temperaturze dawno zamieniłaby się w parę. Ogromne ciśnienie całkowicie zmieniło jednak jej zachowanie. Zamiast tego powstał lód superjonowy, czyli niezwykły stan materii, który łączy cechy ciała stałego i cieczy. Atomy tlenu pozostają ułożone w regularną, sztywną sieć krystaliczną, natomiast jądra wodoru mogą swobodnie przemieszczać się wewnątrz tej struktury.
Taka budowa sprawia, że superjonowy lód może przewodzić prąd elektryczny w bardzo nietypowy sposób. Właśnie dlatego jego istnienie jest szczególnie interesujące dla planetologów. Naukowcy podejrzewają, iż podobna forma wody może znajdować się głęboko pod powierzchnią Urana i Neptuna. Odtworzenie panujących tam warunków było rzecz jasna wielkim wyzwaniem. Do realizacji tego celu posłużyła wiązka promieniowania rentgenowskiego generowana w synchrotronie. Pozwoliło to sprawdzić, jak atomy tlenu układają się pod wpływem zmieniającego się ciśnienia i temperatury.
Wyniki ujawniły heksagonalną strukturę, której istnienie przewidywały wcześniejsze modele teoretyczne, choć dotąd nie udało się jej jednoznacznie potwierdzić w warunkach eksperymentalnych. Wcześniej naukowcy obserwowali przede wszystkim superjonowy lód o strukturze sieci regularnej o innym sposobie ułożenia atomów tlenu.
Jak relacjonują sami zainteresowani, wraz ze wzrostem ciśnienia i temperatury struktura heksagonalna stawała się coraz wyraźniejsza. Przy ciśnieniu 155 gigapaskali i temperaturze nieco ponad 1700 stopni Celsjusza naukowcy obserwowali jednocześnie sygnały wskazujące na obie wspomniane struktury. Po zwiększeniu ciśnienia do 197 gigapaskali i temperatury do niecałych 2000 stopni struktura heksagonalna zaczęła wyraźnie dominować. Przy 219 gigapaskalach i ponad 2350 stopniach Celsjusza niemal całkowicie wyparła wcześniejszą formę.
Czytaj też: Materiał, który zmienia kolor, choć tego nie zobaczysz. Naukowcy wypowiedzieli wojnę podróbkom
Co ciekawe, badacze podejrzewają, że podobną strukturę mogli uzyskać już podczas wcześniejszych eksperymentów. Po ponownym przeanalizowaniu dawnych danych zauważyli sygnał w widmie promieniowania rentgenowskiego, którego wcześniej nie potrafili jednoznacznie wyjaśnić. Teraz sądzą, że mógł być śladem właśnie struktury heksagonalnej lodu. To istotne doniesienia, jeśli myślimy o badaniu wnętrza Urana i Neptuna. Obie planety mają bardzo nietypowe pola magnetyczne, które są silnie nachylone względem osi ich obrotu i mają skomplikowaną strukturę. Przewodzące właściwości superjonowego lodu mogą odgrywać istotną rolę w procesach zachodzących głęboko pod powierzchnią tych planet.
Źródło: Nature Communications
