Коли ви берете кубик льоду в холодильник або дивитеся на холодний зимовий пейзаж, усіяний крижаними утвореннями, ви взаємодієте з речовиною, яку ми всі знаємо як лід, або з наукової точки зору шестикутний лід (Ice Ih). Але що, якби я сказав вам, що існує близько двадцяти різних видів льоду, кожен з яких повністю відрізняється від того, з яким ви знайомі? Одна з форм льоду настільки унікальна, що існує лише глибоко в мантіях небесних тіл, таких як Нептун і Уран. Представляємо Ice XVIII, також відомий як суперіонний лід.
Професор Моріс де Конінг опублікував дослідження, яке пояснює складність суперіонного льоду та його потенціал розкрити більше про дивні характеристики, які спостерігаються в «крижаних гігантах» нашої Сонячної системи.
Інтригуючий феномен суперіонного льоду
Отже, що робить суперіонний лід таким особливим?
Ice XVIII — зовсім не звичайний. Він виробляється в екстремальних умовах — температура досягає 5000 Кельвінів (приблизно 4700 градусів за Цельсієм) і тиск приблизно 340 гігапаскалів, що в 3,3 мільйона разів перевищує атмосферний тиск на поверхні Землі.
На Землі немає таких суворих умов, але вони знаходяться глибоко всередині крижаних гігантів Нептуна та Урана завдяки їхнім масивним гравітаційним полям. У суперіонному льоду вода не зберігає свою типову молекулярну структуру. Атоми кисню утворюють жорстку решітку, тоді як атоми водню, тепер позбавлені своїх електронів, вільно плавають як позитивно заряджені іони.
«Це як металевий провідник, наприклад мідь, але з позитивними іонами, які утворюють кристалічну решітку, і негативно зарядженими електронами, які вільно пересуваються», — пояснює де Конінг, шановний професор Інституту фізики імені Гліба Ватагіна при Державному університеті Кампінаса в Сан. Паулу, Бразилія,
Чому суперіонний лід має значення?
Superionic Ice або Ice XVIII захоплює вчених своїм унікальним розташуванням. Те, як ці вільно плаваючі іони водню рухаються через кисневу решітку, потенційно може пояснити незвичайні особливості Урана та Нептуна, зокрема, особливу поведінку їхніх магнітних полів.
На відміну від Землі, де магнітне поле вирівнюється з віссю обертання, Уран і Нептун мають помітний нахил осей магнітного поля — на 47 і 59 градусів від осі обертання відповідно.
Ця невідповідність довгий час спантеличила вчених. Дослідження Де Конінга припускають, що причиною може бути рух цих протонів через суперіонний лід. Він пояснює: «Електрика, яку протони проводять через кисневу решітку, тісно пов’язана з питанням про те, чому вісь магнітного поля не збігається з віссю обертання цих планет».
Глибоко всередині мантій «крижаних гігантів»
Щоб глибше дослідити цю теорію, Де Конінг і його команда відмовилися від традиційних експериментів і звернулися до передового комп’ютерного моделювання.
Використовуючи теорію функціоналу щільності (DFT), вони змоделювали механічні властивості льоду XVIII, щоб зрозуміти, як він поводитиметься в інтенсивних умовах на Нептуні та Урані. Це завдання не було прогулянкою в парку. Симуляція льоду XVIII вимагала врахування величезної кількості молекул — близько 80 000.
Для обчислень використовувалися передові обчислювальні методи, нейронні мережі та алгоритми машинного навчання. Основна мета полягала в тому, щоб виявити, як різні типи дефектів у кристалічній структурі можуть корелювати з великомасштабними деформаціями, а отже, таємничими магнітними полями.
Дефекти кристала та інші недосконалості
У світі кристалів дефекти зазвичай розглядаються як дефекти, які порушують нормальне розташування атомів. Однак у суперіонному льоду ці дефекти можуть бути ключем до його загадки. Дослідження досліджувало специфічний тип дефекту, відомий як «дислокація», який виникає, коли існує кутова різниця між сусідніми кристалічними шарами.
Де Конінг використовує просту аналогію: «уявіть собі килим, який пом’ятий; отримані зморшки чимось схожі на дислокації в кристалі». Далі він пояснює: «Дислокація для металургії — це те ж саме, що ДНК для генетики».
Змоделювавши ці дислокації в межах Ice XVIII, команда дійшла висновку, що сила, необхідна для деформації льоду, може пояснити унікальні магнітні властивості цих планет. Вони виявили, що особливі умови на Нептуні та Урані в поєднанні з властивостями Ice XVIII створюють ідеальне середовище для цих явищ.
Суперіонний лід в лабораторії
Незважаючи на те, що суперіонний лід звучить як поняття з наукової фантастики, він стає все більш критичним для нашого розуміння Всесвіту. У 2019 році вчені створили невелику кількість Ice XVIII за допомогою потужних лазерів для стиснення тонкого шару води між алмазними поверхнями — досягнення, яке відкрило широкі можливості для майбутніх досліджень.
Наразі, однак, наше розуміння суперіонного льоду відбувається в основному через моделювання, подібне до того, яке проводив Де Конінг. Він пояснює: «Це був найцікавіший аспект дослідження, який поєднує знання з металургії, планетології, квантової механіки та високопродуктивних обчислень».
Вивчення льоду, щоб дізнатися про Всесвіт
Розуміння суперіонного льоду не тільки задовольняє нашу цікавість до того, що знаходиться всередині далеких планет, але також може змінити наше розуміння фундаментальної фізики, яка керує всією матерією.
Оскільки ми відкриваємо більше про стани, подібні до тих, які є на Урані та Нептуні, ми можемо виявити нові матеріали або властивості, які могли б знайти застосування тут, на Землі — від надпровідників до нових типів зберігання енергії.
Отже, наступного разу, коли ви дістанете кубик льоду з морозильної камери, знайдіть хвилинку, щоб оцінити захоплюючий світ Ice XVIII. Це нагадування про те, скільки нам ще належить відкрити у нашому Всесвіті та тут, на Землі.
