Впервые изучен лёд при давлении свыше 220 ГПа: учёные зафиксировали переход к более сложной структуре

Физики получили экспериментальные свидетельства того, что при давлении свыше 222 гигапаскалей, то есть примерно в 2,2 миллиона раз выше атмосферного на уровне моря, лёд переходит в новую структурную фазу. В таких условиях кристаллическая решётка твёрдой воды больше не сохраняет кубическую симметрию. Полученные данные уточняют пределы устойчивости льда X — плотной модификации воды, атомы которой образуют кубическую структуру.

Для создания столь высоких давлений исследователи сдавливали образцы воды между алмазными наковальнями. Строение вещества анализировали методом синхротронной рентгеновской дифракции: лучи рассеиваются на упорядоченных атомах, и по получившейся картине можно судить об особенностях кристаллической решётки. Измерения проходили при комнатной температуре. Вплоть до отметки примерно в 222 гигапаскаля результаты соответствовали льду X, однако при дальнейшем повышении давления на дифрактограмме возник дополнительный пик, а при 230 гигапаскалях пики разделились уже вполне отчётливо.

Одними лишь механическими напряжениями, которые возникают при неравномерном сжатии образца, такие изменения объяснить нельзя. Подобные напряжения могут уширять дифракционные пики и искажать картину, но не способны породить новые отражения и стабильное расщепление пиков. Авторы также рассмотрели версию о существенном градиенте давления внутри образца, однако расчёты показали: для этого потребовался бы неправдоподобно большой перепад.

Точное строение новой фазы по имеющимся данным установить пока невозможно. Результаты согласуются с двумя вариантами кристаллической симметрии — орторомбической Pbcm и тетрагональной P42/nnm. Первая по теоретическим расчётам энергетически выгоднее, зато вторая лучше соответствует наблюдаемой дифракционной картине. Из-за предельно малых размеров образцов и ограничений рентгеновских измерений исследователям пока не удалось окончательно определить структуру.

Этот переход примечателен тем, что под давлением вещество обычно стремится к плотной и простой упаковке атомов, но при экстремальном сжатии симметрия может, напротив, понижаться. Во льду X смена структуры сопровождается перестройкой расположения атомов кислорода и водорода. Согласно расчётам, новая фаза плотнее исходной, а перестройка связей между атомами способна повлиять на свойства воды в условиях экстремального сжатия.

Результаты важны и для моделирования планет, богатых водой. Данные аппарата «Вояджер-2» и расчёты внутреннего строения Урана и Нептуна допускают, что в недрах этих планет существуют протяжённые водосодержащие слои при давлениях, которые перекрывают изученный в лаборатории диапазон. Кристаллическая структура определяет плотность вещества, его электропроводность и теплоперенос, а значит, влияет на модели внутренней динамики планет и образования их магнитных полей. Вместе с тем авторы подчёркивают: пока неизвестно, сохраняется ли обнаруженная низкосимметричная фаза при высоких температурах, характерных для планетарных недр.

Источник: iXBT