Naukowcy odkrywają nową heksagonalną formę lodu pod ciśnieniem powyżej 2 milionów atmosfer

Image: Illustrative image · Ms2895 · CC BY-SA 4.0 · Source

Naukowcy eksperymentalnie zaobserwowali fazę lodu o heksagonalnym upakowaniu bliskim (HCP) dominującą przy ciśnieniu powyżej 200 GPa i temperaturze powyżej 1800 K, co kwestionuje wcześniejsze założenia o występowaniu wyłącznie sześciennego lodu XVIII w tych warunkach.

Międzynarodowy zespół fizyków po raz pierwszy eksperymentalnie zidentyfikował fazę lodu o heksagonalnym bliskim upakowaniu (HCP), która staje się dominującą formą przy ciśnieniach przekraczających 200 gigapaskali (około 2 miliony atmosfer) i temperaturach powyżej 1800 kelwinów. Przed tym odkryciem zaobserwowano jedynie sześcienne upakowanie warstw tlenu o strukturze ściennie centrowanej (FCC) – znane jako lód XVIII – w tych ekstremalnych warunkach.

Aby zasymulować wysokociśnieniowe i wysokotemperaturowe środowisko, badacze użyli komórki kowadłowej z diamentami do sprężenia próbki wody w niezwykle małej objętości, jednocześnie podgrzewając ją laserami. Struktura lodu była analizowana za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej synchrotronowej. Faza HCP dominowała przy ciśnieniu powyżej 200 GPa i około 2000 K. W pośrednich zakresach ciśnienia wykryto koegzystencję struktur krystalicznych HCP i FCC.

Woda jest wyjątkowa ze względu na zdolność do tworzenia wielu faz stałych, wyróżniających się różnymi ułożeniami atomów w sieci krystalicznej. Fazy HCP i FCC to warianty gęstego upakowania atomów o różniących się sekwencjach układu warstw – ABAB dla heksagonalnej i ABCABC dla sześciennej – a nie typowe kryształy lodu. Wskazuje to na różne stany fizyczne wody pod tak ekstremalnym ciśnieniem i temperaturą.

Odkrycie lodu HCP ma duże znaczenie dla nauk planetarnych, zwłaszcza w doskonaleniu modeli wnętrz lodowych gigantów, takich jak Uran i Neptun. Bezpośrednie badanie warstw wewnętrznych tych planet jest niemożliwe, dlatego naukowcy polegają na danych eksperymentalnych i modelowaniu fizycznym. Nowe wyniki sugerują, że warstwy atomów tlenu mogą układać się w sekwencje heksagonalne głęboko w ich wnętrzach, co potencjalnie zmienia właściwości mechaniczne i elektryczne w porównaniu do lodu sześciennego.

Te różnice strukturalne mogą mieć wpływ na zrozumienie warstwowania płaszcza oraz niezwykłych, niedipolowych pól magnetycznych obserwowanych u tych planet. Naukowcy podkreślają, że konieczne są dalsze badania teoretyczne dotyczące plastyczności i przewodnictwa elektrycznego lodu HCP, jak również eksperymentalne prace precyzującej zakresy stabilności faz HCP i FCC w tak ekstremalnych warunkach planetarnych.