Фізики пообіцяли Венері суперійний лід

Фізики провели моделювання молекулярної динаміки модифікації льоду-VII і з'ясували, що протони всередині нього здатні переміщатися по кристалічній решітці під дією зовнішнього електричного поля. Така поведінка характерна для не так давно виявленого експериментально суперійного стану льоду, існування якого можливе на холодних планетах-гігантах, таких як Уран і Нептун. Але поява суперіонності під дією електричних полів великої напруженості розширює спектр небесних тіл, на яких можливе існування цього екзотичного стану. У тому числі, згідно з дослідженням, суперійний лід може існувати на Венері. Стаття опублікована в.

Велика частина льоду на Землі являє собою _лід-Ih, який має гексагональну кристалічну решітку. Але існують ще 17 модифікацій водяного льоду, що відрізняються розташуванням молекул в елементарних комірках. В одній з них, що отримала назву лід-VII, молекули розташовуються у вузлах кубічної решітки. Така фаза утворюється в широкому інтервалі температур при тисках вище 2 ГПа і відрізняється від інших модифікацій можливістю переходу в суперіонний стан. У цьому стані атоми кисню в молекулах води всередині кристалічної решітки залишаються нерухомі, тоді як протони знаходять здатність переміщатися по всій елементарній комірці і навіть за її межі.

Існування такого стану фізики передбачили ще в 1987 році, а спостерігати його в лабораторії вдалося тільки в 2018. Але ще до лабораторного синтезу дослідники висунули теорію про те, що суперійний лід-VII може існувати в мантіях планет-гігантів, таких як Уран і Нептун, оскільки тиск і температура всередині них дозволяють існувати цій кристалічній модифікації. До цього вчені також показали, що на структуру льоду і виникнення у нього суперіонності можуть впливати, крім усього іншого, зовнішні електричні поля.

Дослідники з Ірландії, Канади та Чехії під керівництвом Найла Інгліша (Niall J. English) з Університетського коледжу Дубліна провели теоретичне моделювання руху протонів у кристалічній решітці льоду-VII за допомогою методу нерівноважної молекулярної динаміки. підходи відрізняються від інших методів квантово-механічного моделювання тим, що не використовують у роботі емпіричних даних, а базуються тільки на фізичних законах. Як фізичну основу розрахунків автори використовували метод функціоналу щільності. Він полягає в прийнятті декількох наближень, згідно з якими всі електрони в системі однаково взаємодіють один з одним, а функціонал для певної точки простору залежить тільки від електронної щільності в ній. На відміну від методу Хартрі-Фока, в теорії функціоналу щільності багатоелектронна функція замінюється електронною щільністю, що дозволяє вирішувати більш просте одночасткове рівняння Шредінгера для кожного елемента системи.

Автори з'ясували, що при дії електричних полів напруженістю нижче 0,33 вольт на ангстрем суперіонність у цій формі льоду виникати не буде. Але при більш високих значеннях напруженості в системі почали проявлятися характерні для суперійного стану «перескоки» протонів за механізмом Гротгуса. Відповідно до цього механізму створені після дисоціації води іони водню прикріплюються до інших, недисоційованих, молекул з освітою позитивно зарядженого гідроксонію H₃O +. Ця частинка досить нестійка, тому протон відщеплюється від неї і переходить до наступної нейтральної молекули. Таким чином іони водню можуть нескінченно переміщатися по кристалічній решітці, якщо зберігаються необхідні для існування цього явища умови.

Крім теоретичних розрахунків дослідники побудували коливальні спектри льоду-VII при дії на нього зовнішнього електричного поля. Вони також показали, що при зростанні напруженості електричного поля у молекул води з'являються коливання, пов'язані з появою суперійного механізму дифузії протонів.

Виходячи з більш раннього виявлення електричних полів на Венері і присутності на ній води, автори дослідження зробили висновок, що лід-VII в суперіонному стані може існувати не тільки на холодних планетах-гігантах, але і на більш гарячих небесних тілах, що мають сильні електричні поля, таких як Венера. Варто відзначити, що лід-VII нарівні з льодом-X, на відміну від інших модифікацій, може існувати при високій температурі, аж до майже 700 градусів Цельсія, хоча для цього і потрібні високі тиску близько 10 гігапаскалей.

Лід-VII, як і багато інших модифікацій, існують при високому тиску або дуже низькій температурі. Однак навіть у звичній нам фазі льоду-I співіснують дві різні комбінації - кубічна і гексагональна. Кубічна модифікація метастабільна і отримати її в чистому вигляді вченим досі не вдалося. Однак нещодавно дослідники поставили рекорд: вони створили лід-I, в якому вміст кубічної фази досяг 80 відсотків.