Учёные обнаружили новую гексагональную форму льда при давлении свыше 2 миллионов атмосфер

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

Исследователи впервые экспериментально наблюдали гексагональную плотную упаковку (HCP) фазы льда, которая доминирует при давлениях выше 200 ГПа и температурах выше 1800 К, опровергая прежние предположения о существовании только кубического льда XVIII в этом диапазоне.

Международная команда физиков впервые экспериментально идентифицировала фазу льда с гексагональной плотной упаковкой (HCP), которая становится преобладающей при давлениях свыше 200 гигапаскалей (примерно 2 миллиона атмосфер) и температурах выше 1800 кельвинов. До этого открытия при таких экстремальных условиях наблюдали только кубическую упаковку слоёв кислорода с центрированием на гранях (FCC), известную как лёд XVIII.

Для моделирования высокотемпературной и высокодавления среды исследователи использовали алмазную наковальню для сжатия образца воды в очень малом объёме, одновременно нагревая его лазерами. Структура льда анализировалась с помощью синхротронной рентгеновской дифракции. Фаза HCP доминировала при давлениях выше 200 ГПа и температуре около 2000 К. При промежуточных давлениях была обнаружена коэкзистенция кристаллических структур HCP и FCC.

Вода уникальна способностью образовывать множество твёрдых фаз с различным расположением атомов в кристаллических решётках. Фазы HCP и FCC — это варианты плотного упаковки атомов с разной последовательностью укладки слоёв: ABAB для гексагональной и ABCABC для кубической, а не обычные кристаллы льда. Это указывает на различные физические состояния воды при экстремальных давлениях и температурах.

Обнаружение льда HCP важно для планетарной науки, особенно для уточнения моделей внутреннего строения ледяных гигантов — Урана и Нептуна. Прямое изучение внутренних слоёв этих планет невозможно, поэтому учёные опираются на экспериментальные данные и физическое моделирование. Новые результаты предполагают, что слои кислорода могут укладываться в гексагональной последовательности глубоко внутри этих планет, что потенциально изменяет их механические и электрические свойства по сравнению с кубическим льдом.

Эти структурные различия могут повлиять на понимание стратификации мантии и необычных, недипольных магнитных полей, наблюдаемых на этих планетах. Исследователи отмечают необходимость теоретических исследований пластичности и электрической проводимости льда HCP, а также дальнейших экспериментов для точного определения диапазонов устойчивости фаз HCP и FCC в таких экстремальных планетарных условиях.