Ekstremaliomis sąlygomis, būdingomis ledo milžinių planetų gelmėms, mokslininkai sugebėjo gauti aiškiausią iki šiol „superjoninio ledo“ vaizdą.
Šis pavadinimas apibūdina keistą materijos būseną, kai deguonies atomai yra užrakinti kristalinėje gardelėje, o vandenilio atomai laisvai teka kaip skystis. Šią neįprastą būseną galima palyginti su molekuliniu kalėjimu, kuriame grotelės yra standžios, bet kaliniai laisvai juda viduje, rašo „StudyFinds“.
Naudodami galingiausius pasaulyje rentgeno lazerius, tyrėjai suspaudė vandens mėginius iki 180 gigapaskalių slėgio (beveik 1,8 milijono kartų daugiau už Žemės atmosferos slėgį), tuo pačiu metu juos kaitindami iki tūkstančių laipsnių. Tokiomis ekstremaliomis sąlygomis komanda pastebėjo tai, ką teoretikai buvo numatę, bet niekada aiškiai nepastebėjo: deguonies atomai neišsirikiuoja paprasta, tvarkinga schema. Vietoje to jie sudaro painią struktūrą, maišydami dvi skirtingas išsidėstymo tvarkas, nuolat keisdami savo vietas, tarsi kristalas, kuris „negali apsispręsti“.
Superjoninis vanduo Urane ir Neptūne
Urano ir Neptūno gilumoje greičiausiai glūdi didžiuliai šio superjoninio vandens vandenynai. Nepaisant pravardžių „ledo milžinai“, šios planetos nėra sudarytos iš paprasto ledo. Didžiulis slėgis ir temperatūra suspaudžia vandenį į šią keistą superjoninę būseną. Tai galėtų paaiškinti kai kuriuos paslaptingus šių tolimų pasaulių bruožus, įskaitant jų pasvirusius, ne centre esančius magnetinius laukus, kurie nesutampa su planetų sukimosi ašimi.
Ankstesni eksperimentai davė prieštaringų rezultatų. Kai kurios komandos pranešė, kad tam tikromis sąlygomis matė vieną kristalinę struktūrą, o kitos stebėjo visiškai skirtingas struktūras esant panašiam slėgiui ir temperatūrai. Ši painiava tęsėsi daugelį metų.
Naujausi matavimai, paskelbti žurnale „Nature Communications“, gali pagaliau išspręsti šią paslaptį. Sinchronizuodama itin greitus rentgeno spindulių impulsus su lazerinio smūgio suspaudimu, komanda užfiksavo difrakcijos vaizdus su daug didesne skiriamąja geba nei ankstesni bandymai. Rentgeno spindulių impulsai truko tik 50 femtosekundžių (jei femtosekundė būtų ištempta iki vienos sekundės, įprasta sekundė truktų 32 milijonus metų). Šie matavimai efektyviai „užšaldė“ vandens struktūrą, kol ji dar nespėjo pasikeisti.
Gamtos kompromisas esant slėgiui
Esant vidutiniam slėgiui (žemiau 120 gigapaskalių), eksperimentai atskleidė dvi skirtingas kristalines struktūras, egzistuojančias greta. Kai kurie tyrėjai spėliojo, kad priežastis gali būti temperatūros skirtumai, tačiau nauji duomenys rodo kai ką įdomesnio: šių dviejų struktūrų energija yra tokia artima, kad vanduo iš tikrųjų „negali rinktis“ tarp jų.
Kompiuterinis modeliavimas numatė šį elgesį. Tokiomis sąlygomis abiejų struktūrų susidarymo energijos sąnaudos yra beveik vienodos, todėl vandens molekulės kristalizuojasi atsitiktine tvarka.
Kai slėgis pakyla virš 150 gigapaskalių, viena struktūra pradeda dominuoti. Tačiau yra vienas niuansas. Maždaug 25–32 proc. sluoksnių yra išdėstyti kita tvarka, sukurdami į kristalą įpintą netvarką. Mašininio mokymosi modeliavimas sukūrė modelius, praktiškai identiškus tiems, kurie buvo išmatuoti eksperimentiškai.
Tai patvirtina, kad netvarkinga struktūra yra tikra, o ne mėginio suspaudimo metodo šalutinis poveikis.
Kaip jiems tai pavyko
Norėdami suspausti vandenį iki tokių ekstremalių būsenų, mokslininkai turėjo įspausti plonus vandens sluoksnius (maždaug pusės žmogaus plauko storio) tarp deimantinių langelių. Galingi lazerio impulsai trenkė į deimantą, sukurdami smūgines bangas, kurios atsimušinėjo pirmyn ir atgal, suspausdamos vandenį etapais, o ne akimirksniu. Kiekvienas eksperimentas truko tik nanosekundes ir sunaikino taikinį, todėl komanda kartodavo procesą daugybę kartų, kad patikrintų rezultatus.
Esant žemiausiam tirtam slėgiui (apie 25–50 gigapaskalių), jie rado paprastesnes, labiau sutvarkytas ledo struktūras. Tačiau didėjant slėgiui, atsirado mišrūs, chaotiški modeliai.
Ką atskleidžia šis eksperimentas
Ar ši „išdėstymo netvarka“ yra nuolatinė, ar laikina, vis dar nežinoma. Panašūs defektai atsiranda ir paprastame lede, kuris susiformuoja greitai, o vėliau palaipsniui reorganizuojasi. Jei superjoninio ledo defektai yra laikini, jie gali neturėti didelės įtakos planetai.
Tačiau jei jie yra stabilūs, tai gali pakeisti šilumos ir elektros tekėjimą per medžiagą, o tai yra labai svarbu magnetiniams laukams.
Įkrautų vandenilio jonų srautas per deguonies gardelę sukuria magnetinius laukus per vadinamąjį „dinamo efektą“. Bet koks struktūrinis elementas, nukreipiantis arba blokuojantis šį srautą, gali pakeisti lauko stiprumą ir formą. Mokslininkai pasiūlė įvairių paaiškinimų, kodėl Uranas ir Neptūnas turi tokius keistus magnetinius laukus, ir superjoninio vandens vidinė struktūra gali būti atsakymo dalis.
Vanduo atrodo paprastas (tik du vandenilio atomai, sujungti su deguonimi), tačiau jis sudaro mažiausiai 19 skirtingų rūšių ledo, priklausomai nuo slėgio ir temperatūros. Pridėkite superjoninius variantus ir vanduo pradeda atrodyti ne kaip paprasta medžiaga, o labiau kaip kažkas paslaptingo.
(be temos)