Физики открыли новую форму льда
Исследователи Невадского университета в Лас-Вегасе (UNLV) обнаружили новую форму льда, которая демонстрирует ранее неизвестные свойства воды при высоком давлении.
Вода в состоянии льда может образовывать различные виды твердых материалов в зависимости от температуры и давления, например, углерод, преобразующийся в алмаз или графит. Однако свойства воды в этом аспекте исключительны, поскольку уже известно не менее 20 твердых форм льда.
Группа ученых из Лаборатории экстремальных условий UNLV разработала новый метод измерения свойств воды под высоким давлением. Образец был сначала зажат между двумя алмазами круглой огранки (конструкция известна как алмазная наковальня), после чего под давлением, аналогичным давлению в центре Земли, он замерз в несколько перемешанных кристаллов льда. Затем лед подвергли лазерному нагреву, который сначала расплавил его, а затем он быстро превратился в порошкообразный набор крошечных кристаллов.
Двумерные рентгеновские дифракционные изображения. (а) 2D-дифракционное изображение льда при 23 ГПа без термической обработки. (b) 2D-дифракционное изображение льда при 19 ГПа после таяния
Постепенно повышая давление и периодически воздействуя лазерным лучом, команда наблюдала, как водяной лед совершает переход от известной кубической фазы, Ice-VII, к недавно обнаруженной промежуточной и тетрагональной фазе, Ice-VIIt, прежде чем осесть в другую известную фазу, Ice-X. Для предсказания фаз перехода использовали суперкомпьютер.
. (a) Очистка льда по методу Ритвельда. (b) Прогрессирование характеристик комбинационного рассеяния при повышении давления. © Смоделированные спектры комбинационного рассеяния света при 0 K для двух вычислений DFT для льда. (d) Характеристика льда-VII при 3,3 ГПа и при 11,3 ГПа.
Зак Гранде, кандидат наук UNLV, руководил работой, которая также продемонстрировала, что переход к Ice-X, когда вода агрессивно застывает, происходит при гораздо более низком давлении, чем считалось ранее: при 300 000 атмосфер вместо 1 млн.
Спектр комбинационного рассеяния термообработанного льда под давлением
Исследователи отмечают, что обнаружить такую форму льда где-либо на поверхности Земли, скорее всего, невозможно, но он может быть обычным компонентом ее мантии, а также больших лун и богатых водой планет за пределами нашей Солнечной системы.
Уравнение подгонки состояний. Вычисленные погрешности переходных давлений обозначены заштрихованными синим цветом областями при 5.1 ± 0,5 ГПа, а также при 30,9 ± 3 ГПа
соответственно, а серые линии — результаты предыдущих экспериментов. Кривые имеют цветовую маркировку по фазе (синий: кубический лед-VII; черный: некубический лед-VII, красный: лед-X). Оранжевые полосы погрешностей указывают на систематическую неопределенность из-за девиаторных напряжений в данных без термической обработки. (б) Линеаризованное уравнение состояния Вине. Слева: при допущении однофазной модели. Справа: при допущении трехфазной модели.
Выводы группы были опубликованы в номере журнала Physical Review B от 17 марта.
Фазовая диаграмма льда. Области, заштрихованные синим, зеленым и красным цветом, обозначают лед-VII, VII и X соответственно, а прогнозируемые границы, отделяющие фазы льда высокого давления, показаны сплошными черными линиями. Штрихами показаны измеренные кривые плавления.
