Лёд, который не должен существовать

Честно признаюсь: раньше я думал, что лёд — это скучно. Замёрзшая вода, ну и что? Но последние недели я закопалась в исследования льда, и оказалось — всё, что я знала, это полная ерунда. Видов льда не один, а ДЕСЯТКИ. А теперь учёные открыли ещё один — настолько безумный, что он ломает все представления о мире.

Знакомьтесь: гексагональный плотноупакованный лёд, или лёд hcp.

Серьёзно, бывают разные виды льда?

Вот что странно: в школе нам об этом не рассказывают. Учёные, когда говорят «лёд», обычно имеют в виду привычный «Лёд I» — те самые гексагональные кристаллы в вашем стакане. Но стоит изменить температуру или давление, и молекулы воды выстраиваются в совершенно другие структуры.

На сегодняшний день известны льды от Льда I до Льда XXII, и каждый из них формируется в условиях, от которых кружится голова. Давление — в миллионы раз выше, чем на пляже. Температуры — такие, что ваша духовка отдыхает.

Самый новый? Лёд hcp, которому, возможно, присвоят номер XXIII. И знаете что? Он, пожалуй, самый интересный из всех.

Почему этот лёд такой особенный?

Представьте кубик льда. А теперь забудьте эту картинку. Потому что hcp-лёд — это совсем другое.

Это так называемый суперионный лёд, и это одна из самых странных субстанций, какие только можно представить. Вот как это работает: атомы кислорода закреплены в жёсткой кристаллической решётке — как прутья клетки. А вот атомы водорода свободно снуют внутри этой клетки, как дети на дне рождения.

Самое интересное дальше: эти блуждающие атомы водорода несут электрический заряд. Получается, суперионный лёд — это не какая-то экзотическая диковинка, а самый настоящий проводник электричества.

Учёные десятилетиями предполагали, что такой лёд существует, и только в 2019 году создали его в лаборатории. Та первая версия, получившая название Лёд XVIII, имела кислородную структуру гранецентрированного куба — представьте, как аккуратно уложены апельсины в супермаркете.

Но новый hcp-лёд, открытый командой Форестье? Здесь структура гексагональная, иная. И появляется он при ещё более экстремальных условиях: давление поднимается почти до 2 миллионов атмосфер, а температура — примерно 2630 Кельвинов (около 4300°F — достаточно, чтобы расплавить сталь).

Как они вообще это нашли?

Обожаю представлять, как проходил эксперимент. Команда из Французской комиссии по атомной энергии и альтернативным источникам (CEA) зажала крошечные капельки воды между двумя алмазными наконечниками — самое твёрдое, что есть на Земле.

Использовали алмазные слои, поглощающие лазерное излучение, и зондировали образцы мощными рентгеновскими лучами в Гренобле. А потом просто повышали температуру и давление. И наблюдали.

При низких давлениях формировался ожидаемый гранецентрированный кубический суперионный лёд. Но когда давление перевалило за 200 гигапаскалей — структура hcp стала доминировать. К концу опыта она полностью вытеснила кубическую.

Словно видишь научное превращение в реальном времени. Звучит как один из самых крутых экспериментов на свете.

А мне-то что с этого?

Вот где начинается самое интересное (особенно для тех, кто, как я, помешан на космосе). Это открытие может объяснить загадки далёких уголков Солнечной системы.

Уран и Нептун называют «ледяными гигантами», но не думайте, что они целиком замёрзшие. Глубоко внутри этих планет вода, аммиак и метан существуют в виде невероятно горячей и плотной жидкости. Астрономы называют их «льдами», потому что при таких условиях они ведут себя похоже.

Когда «Вояджер-2» пролетал мимо этих планет, он зафиксировал кое-что странное: их магнитные поля совершенно не в порядке. У Земли поле более-менее совпадает с осью вращения. А у Урана и Нептуна? Поля наклонены под безумными углами и асимметричны — совсем не то, чего ожидаешь от их недр.

Учёные давно подозревали, что тонкий слой электропроводящей жидкости где-то внутри генерирует эти странные поля. И суперионный лёд выглядит главным подозреваемым.

Новое открытие hcp-льда особенно интригует, потому что он формируется ещё глубже, ещё в более экстремальных условиях, чем кубический лёд. А значит, в недрах ледяных гигантов именно hcp-лёд может быть основной формой. Это может полностью изменить модели строения этих далёких миров.

Как говорят сами исследователи, открытие «может иметь важные последствия для стратификации и динамики их суперионных мантий».

Мир становится всё страннее

Не знаю, как у вас, но меня такие открытия приводят в восторг. Мы не просто каталогизируем Вселенную — мы постигаем её нюансы, слои, скрытую сложность.

Всего несколько десятилетий назад мы даже не подозревали о существовании суперионного льда. А теперь выясняется, что у него есть разновидности, и эти разновидности могут влиять на поведение целых планет в миллиардах километров отсюда.

Каждый раз, читая о таких открытиях, я вспоминаю: Вселенная не только страннее, чем мы думаем — она, вероятно, страннее, чем мы можем вообразить. И это прекрасно, разве нет?

В следующий раз, когда нальёте себе воды со льдом, задумайтесь на секунду: где-то там существуют формы воды, по сравнению с которыми ваша морозилка — просто пустыня.