Водяной лед, несмотря на кажущуюся простоту, представляет собой сложную и многогранную субстанцию, которая может существовать в различных формах, каждая из которых обладает уникальными кристаллическими структурами и свойствами. На Земле наиболее распространен лед I, но ученые выделяют множество других форм, вплоть до льда XIX. Одной из таких экзотических форм является «пластичный лед VII», который был создан в лабораторных условиях и может существовать в природе на других планетах и спутниках в нашей Солнечной системе.
Пластичный лед VII — это не отдельная форма льда, а гибкая версия льда VII, который имеет кубическую кристаллическую структуру, в отличие от гексагональной структуры льда I.
Пластичный лед VII был первоначально предсказан более 15 лет назад с помощью моделирования молекулярной динамики (MD) как фаза воды, которая может существовать при высокой температуре и давлении. «Пластичные фазы — это гибридные состояния, сочетающие в себе свойства твердых и жидких тел», — объясняет Ливия Элеонора Бове, директор по исследованиям французского Национального центра научных исследований CNRS.
Особенность пластичного льда VII заключается в том, что его молекулы, оставаясь закрепленными в жесткой кубической решетке, способны вращаться на месте. Это придает материалу свойства, промежуточные между твердым телом и жидкостью, что делает его уникальным гибридным состоянием.
«В пластичном льду молекулы воды образуют жесткую кубическую решетку, как в льду VII, но демонстрируют пикосекундное вращательное движение, напоминающее движение жидкой воды».
Эксперименты по созданию пластичного льда VII проводились при экстремальных условиях: температурах от 127 до 327 °C и давлениях от 0,1 до 6 гигапаскалей.
Для изучения этого материала ученые использовали метод квазиупругого нейтронного рассеяния (QENS), а также нейтронную и рентгеновскую дифракцию. Эти методы позволили выявить, что переход от льда VII к пластичному льду VII может происходить непрерывно, что указывает на возможную связь с еще более экзотической фазой воды — суперионной.
В суперионной фазе, которая предсказана при еще более высоких температурах и давлениях, атомы водорода могут свободно перемещаться через кристаллическую решетку кислорода.
Пластичный и суперионный лед могут существовать на таких небесных телах, как Уран, Нептун или спутник Юпитера Ганимед. Изучение этих форм льда не только расширяет наши знания о воде, но и помогает лучше понять внутреннюю динамику и эволюцию ледяных планет и спутников.
Исследование, опубликованное в журнале Nature, подчеркивает важность таких открытий для планетологии и физики материалов.