Vedci objavili nový druh ľadu. Vzniká pri podmienkach, aké nájdeš primárne na týchto dvoch miestach Slnečnej sústavy

Ľad si väčšina ľudí spojí s kockou v nápoji alebo zamrznutou vodou. Fyzika však pozná oveľa viac podôb H₂O. Pri dostatočne vysokom tlaku a teplote sa voda začne správať spôsobom, ktorý na Zemi za bežných podmienok neuvidíš. Vedci teraz pomocou röntgenového žiarenia identifikovali novú štruktúru takzvaného superiónového ľadu. Experiment v Európskom synchrotrónovom zariadení ESRF ukázal, že pri extrémnych podmienkach môže mať kyslíková časť kryštálovej mriežky hexagonálne usporiadanie.

Takýto ľad môže mať význam pri skúmaní planét, ako sú Urán a Neptún. Práve hlboko pod ich povrchmi môžu panovať tlaky a teploty, pri ktorých sa voda dostáva do exotických stavov.

Ľad, ktorý sa správa trochu ako kvapalina

Superiónový ľad znie ako oxymoron, no v tomto prípade však ide o zvláštnu kombináciu vlastností. Pri superiónovom ľade zostávajú atómy kyslíka usporiadané v pevnej kryštálovej mriežke, zatiaľ čo vodíkové ióny sa cez túto štruktúru pohybujú takmer ako kvapalina. Práve preto superiónový ľad dokáže viesť elektrický náboj. Vodíkové ióny, respektíve protóny, sa totiž môžu cez kyslíkovú mriežku presúvať.

Takáto forma ľadu môže vzniknúť pri tlakoch vyšších ako približne 15 gigapascalov a teplotách nad 900 kelvinov. Pre predstavu, jeden gigapascal predstavuje tlak približne desaťtisícnásobku atmosférického tlaku na povrchu Zeme. Vedci teda potrebujú vytvoriť podmienky, ktoré sa od nášho každodenného sveta výrazne líšia.

Voda pritom dokáže vytvoriť najmenej 20 rôznych kryštalických fáz ľadu. Každá z nich má inú štruktúru a vzniká pri inom rozsahu tlaku a teploty.

Súvisí s tým

3I/ATLAS nie je len návštevník z iného hviezdneho systému. Mohol vzniknúť v pravom opaku našej Slnečnej sústavy

Vedci už predtým poznali dve superiónové formy. Pri nižších tlakoch má kyslíková mriežka takzvanú kubickú priestorovo centrovanú štruktúru, označovanú ako bcc. Pri tlakoch nad približne 40 GPa a teplotách okolo 1 500 kelvinov sa objavuje fcc štruktúra. Nový experiment však priniesol dôkaz ďalšej možnosti.

Nový ľad má hexagonálnu štruktúru

Výskumníci hľadali takzvanú hcp štruktúru, teda hexagonálne najtesnejšie usporiadanie. V tomto prípade ide predovšetkým o spôsob, akým sa atómy kyslíka ukladajú do vrstiev. Na skúmanie použili röntgenovú difrakciu. Ide o metódu, pri ktorej vedci vyšlú röntgenové žiarenie na vzorku a následne sledujú, ako sa žiarenie odrazí od jednotlivých častí kryštálovej štruktúry. Z výsledného obrazca dokážu určiť, ako sú atómy v materiáli usporiadané.

Vzorku vody s mikrometrovými rozmermi uzavreli medzi diamanty v zariadení nazývanom diamantová kovadlina. Diamant dokáže odolať extrémnemu tlaku, takže vedci mohli vzorku stlačiť na podmienky podobné tým, ktoré panujú hlboko vo vnútri obrovských planét. Výskumníci následne vzorku zahrievali infračervenými lasermi z oboch strán. Celý proces prebiehal v experimentálnej stanici ID27 v ESRF, ktorá poskytla veľmi intenzívny röntgenový lúč s priemerom menším ako jeden mikrometer.

Takto mohli sledovať, ako sa štruktúra vody mení pri postupnom zvyšovaní tlaku a teploty.

Pri tlaku nad 200 GPa sa situácia zmenila

Výsledky priniesli zaujímavý posun. Pri tlaku približne 160 až 200 GPa vedci pozorovali známky hcp štruktúry spolu s dovtedy známou fcc formou superiónového ľadu. Keď tlak a teplota ďalej zvýšili, signál hcp štruktúry zosilnel. Pri tlaku 219 GPa sa hexagonálna štruktúra stala dominantnou. Výsledok naznačuje, že pri veľmi vysokom tlaku a vysokej teplote môže byť hcp forma superiónového ľadu stabilnejšia než fcc forma.

Medzi približne 130 a 200 GPa navyše vedci pozorovali široký prechod medzi oboma štruktúrami. Označili ho ako martenzitický prechod. Ide o zmenu kryštálovej štruktúry, pri ktorej sa materiál preusporiada z jednej formy do druhej bez toho, aby sa jeho chemické zloženie zmenilo.

V tomto prípade teda stále ide o H₂O. Mení sa však spôsob, akým sa jeho atómy usporiadajú.

Takýto ľad môže existovať v Uráne a Neptúne

Najzaujímavejšia časť výsledkov súvisí s ľadovými obrami Slnečnej sústavy. Urán a Neptún majú vo svojich hlbinách podmienky, ktoré sa výrazne líšia od tých na Zemi.

Hoci ich označujeme ako ľadové planéty, neznamená to, že sa v ich vnútri nachádzajú obrovské kusy klasického ľadu. Vysoký tlak a teplota tam môžu vodu, metán a ďalšie látky dostať do exotických stavov. Práve superiónový ľad patrí medzi kandidátov na materiály, ktoré sa môžu nachádzať hlboko v týchto planétach.

Jeho elektrická vodivosť môže mať význam aj pri vysvetľovaní ich magnetických polí. Magnetické polia Uránu a Neptúna sa totiž správajú odlišne od magnetického poľa Zeme. Ich štruktúra je výrazne naklonená voči osi rotácie planét a magnetické póly neležia presne tam, kde by ich jednoduchý model predpokladal. Ak sa hcp superiónový ľad pri podmienkach v hlbinách týchto planét skutočne nachádza, jeho vlastnosti bude potrebné zohľadniť v modeloch ich vnútornej stavby.

Nové merania zatiaľ neznamenajú, že vedci priamo potvrdili prítomnosť tohto ľadu v Uráne alebo Neptúne. Experiment ukázal, že takáto forma H₂O môže pri extrémnom tlaku a teplote existovať a že pri tlakoch nad približne 200 GPa môže byť stabilnejšia než predtým známa fcc forma.

Výsledok tak rozširuje predstavu o tom, čo všetko môže voda v extrémnych podmienkach dokázať. Zároveň môže priniesť ďalší dielik do skladačky pri modelovaní vnútorných vrstiev planét, ktorých magnetické polia stále ukrývajú viacero otázok.