Superjonowy czarny lód
Naukowcy wprowadzili wodę w niezwykły stan skupienia, nazywany superjonowym lodem. Kropelkę wody umieścili między dwoma diamentami i podgrzali za pomocą lasera – w ten sposób tworząc temperaturę i ciśnienie, które jest niemożliwe na powierzchni Ziemi, a przypomina warunki z jej wnętrza.
Fizycy z dwóch amerykańskich instytucji badawczych przeprowadzili eksperyment, dzięki któremu mogli na własne oczy zobaczyć coś, co dotąd ukryte było głęboko we wnętrzu naszej planety. Badacze wzięli zwykłą kroplę wody, umieścili ją między dwoma diamentami i ścisnęli do wysokiego ciśnienia, a następnie podgrzali za pomocą bardzo silnego lasera do niezwykle wysokiej temperatury. Uzyskali w ten sposób stan wody, nazwany przez nich lodem supejonowym.
Ten „dziwny, czarny lód” – jak mówią o nim naukowcy – istnieje w takim ciśnieniu i temperaturze, jak woda znajdująca się w jądrze Ziemi. To niesamowite osiągnięcie jest pierwszym krokiem do badania warunków, które występują we wnętrzu naszej i innych planet.
Nie była to pierwsza próba naukowców, która prowadzić miała do stworzenia takiej formy lodu. We wcześniejszym eksperymencie badacze użyli fali uderzeniowej, która doprowadziła do podniesienia ciśnienia i uzyskania pożądanej formy… na 20 nanosekund, zanim lód stopniał. Nowy eksperyment różni się od poprzedniego tym, że efekt był znacznie trwalszy. Powstały lód był na tyle stabilny, że możliwe było jego zbadanie.
Aby wykonać bardziej szczegółowe pomiary, naukowcy musieli stworzyć lód w bardziej stabilnej formie. Ścisnęli więc kropelkę wody 0,2-karatowym diamentowym kowadłem i zagrzali ją laserem. Twardość diamentów pozwoliła kowadłu zwiększyć ciśnienie kropli do poziomu 3,5 miliona razy większej niż ciśnienie atmosferyczne Ziemi, a laser podgrzał ją do temperatur wyższych niż powierzchnia Słońca. Następnie, za pomocą urządzenia przyspieszającego elektrony zwanego synchrotronem, zespół skierował na kroplę wiązki promieniowania rentgenowskiego. Mierząc natężenia i kąty promieni rentgenowskich, które były rozpraszane przez atomy wewnątrz lodu, naukowcy zidentyfikowali strukturę lodu superjonowego.
Wyniki eksperymentu zostały opisane w czasopiśmie „Nature Physics”, w artykule opublikowanym 14 października 2021 roku, wspólnie przez badaczy z Center for Advanced Radiations Sources, University of Chicago i Earth and Planets Laboratory, Carnegie Institution of Washington. W oświadczeniu opublikowanym niedługo później autorzy z wyrażali swój entuzjazm, ale też zaskoczenie:
– To była niespodzianka. Wszyscy myśleliśmy, że ta faza nie pojawi się, dopóki nie będziesz pod znacznie wyższym ciśnieniem niż tam, gdzie po raz pierwszy ją znaleźliśmy – powiedział Vitali Prakapenka, geofizyk z University of Chicago i naukowiec zajmujący się linią pomiarową w Advanced Photon Source w Argonne National Laboratory, współautor badań.
Lód, ciecz i para to najczęstsze fazy wody, na podstawie których rozpoznajemy trzy stany skupienia, rzecz oczywistą dla tradycyjnej fizyki. Ale cząsteczki wody mogą również formować się w innych układach, tworząc inne fazy. Naukowcy zidentyfikowali jak dotąd 20 faz lodu – różne sposoby, w jakie związane atomy wodoru i tlenu mogą się układać w różnych temperaturach i ciśnieniach.
Na przykład lód VI i lód VII mają cząsteczki, które układają się w formie graniastosłupów. Lód XI obraca się na boki, jeśli jest umieszczony w polu elektrycznym, a lód XIX, który jest kruchy, posiada atomy wodoru tworzące regularny wzór.
Opisywana tu superjonowa, ultragorąca forma lodu jest określona jako lód XVIII. Uznać go można za jedną z najdziwniejszych jak dotąd faz krystalizacji wody dlatego, że jego atomy tlenu blokują się, tak jak w ciele stałym, ale atomy wodoru, po oddaniu elektronów, stają się jonami — jądrami atomowymi pozbawionymi elektronów, a zatem naładowanymi dodatnio — które mogą swobodnie płynąć przez lód, jakby były płynem. Te pływające atomy wodoru powstrzymują przenikanie światła w typowy dla lodu sposób i przyczyniają się do jego czarnego wyglądu.
Superjonowy lód nie jest nowym pojęciem – teoretyzowano na jego temat już ponad trzydzieści lat temu – w 1988 roku jego hipotetyczne istnienie opisali badacze z zespołu prof. Pierfranco Demontis (Uniwersytet w Sassari, Włochy). Po raz pierwszy, na kilka nanosekund udało się go wytworzyć już w 2018 roku w Lawrence Livermore National Laboratory in California. Jednak dopiero prof. Prakapenka i jego współpracownicy ustabilizowali go w taki sposób, żeby możliwa była jego obserwacja i zbadanie. Nie oznacza to jednak, że udało się stworzyć trwałą formę lodu XVIII. Zamiast nanosekund, lód stał się stabilny na czas liczony w mikrosekundach (milionowa zamiast miliardowej części sekundy). Tyle jednak było potrzeba, żeby prześledzić kolejne fazy przejścia tego niezwykłego lodu.
Artykuł źródłowy: Vitali B. Prakapenka et al, Structure and properties of two superionic ice phases, Nature Physics (2021). DOI: 10.1038/s41567-021-01351-8
Opracowano na podstawie artykułu Bena Turnera Ultrahot 'superionic' ice is a new state of matter, opublikowanego na portal Live Science.
