В повседневной жизни мы встречаем воду в трех привычных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Однако существует гораздо больше фаз, некоторые из которых возникают при высоких температурах и давлениях. Эти состояния настолько необычны, что их называют экзотическими.
Благодаря современным нейтронным спектрометрам и исследовательскому оборудованию в Институте Лауэ-Ланжевена, ученым впервые удалось экспериментально наблюдать одну из таких экзотических фаз — пластический лед VII. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Пластический лед VII был предсказан более 15 лет назад с помощью моделирования молекулярной динамики (MD) как возможное состояние воды при экстремальных условиях.
«Пластические фазы — это гибридные состояния, сочетающие свойства твердых тел и жидкостей», — объясняет Ливия Элеонора Бове, научный директор Национального центра научных исследований Франции (CNRS), доцент Римского университета Ла Сапиенца и приглашенный исследователь Швейцарской федеральной политехнической школы в Лозанне.
«В пластическом льду молекулы воды образуют жесткую кубическую решетку, как в обычном льду VII, но при этом совершают ультра быстрые вращательные движения, напоминающие движение молекул в жидкой воде».
Для изучения таких быстрых молекулярных движений ученые использовали метод квазиупругого нейтронного рассеяния (QENS).
«Преимущество QENS заключается в его способности анализировать как поступательное, так и вращательное движение молекул, что делает его незаменимым инструментом для изучения экзотических фазовых переходов», — отмечает Мария Ресиньо, аспирантка университета Ла Сапиенца и первый автор статьи.
Метод QENS позволил идентифицировать три четко различающиеся фазы воды при изменении температуры и давления:
- Жидкая вода, где молекулы могут свободно перемещаться и вращаться.
- Обычный лед, где молекулы зафиксированы и не двигаются.
- Промежуточная фаза — пластический лед, в котором молекулы сохраняют жесткую кристаллическую структуру, но продолжают вращаться.
Эксперименты по изучению пластического льда VII проводились с использованием спектрометров IN5 и IN6-SHARP в ILL. Для достижения этого состояния воды потребовались температуры от 450 до 600 К (от 177 до 327 °C) и давления от 0,1 до 6 ГПа (до 60 тысяч раз выше атмосферного).
Такие сложные условия стали возможны благодаря технологическим достижениям, разработанным в рамках долгосрочного проекта ILL в сотрудничестве с Бове, научным директором CNRS Стефаном Клоцем и ученым Михаэлем Мареком Козой.
«Успех исследования основан на многолетнем опыте и уникальной инфраструктуре ILL, особенно в области создания сложных экспериментальных условий и работы при высоких давлениях», — подчеркивает Коза.
«Кроме того, постоянное совершенствование спектрометров ILL, в том числе в рамках программы модернизации Endurance, позволило проводить все более сложные эксперименты с использованием передового оборудования».
Комплексный анализ данных нейтронного рассеяния показал, что молекулярная динамика пластического льда VII может быть сложнее, чем первоначально предсказывали модели молекулярной динамики (MD).
«Измерения методом QENS выявили иной механизм молекулярного вращения в пластическом льду VII, отличающийся от свободного вращения, которое изначально ожидалось», — объясняет Мария Ресиньо.
Дополнительные MD-симуляции в сочетании с анализом цепей Маркова позволили получить более детальное представление о динамике молекул воды. В результате ученые выявили четырехкратную модель вращения, характерную для так называемых прыгающих роторов в пластических кристаллах.
Чтобы изучить природу фазового перехода от обычного льда к пластическому льду VII, исследователи провели дополнительные эксперименты с использованием методов нейтронной и рентгеновской дифракции. Эти исследования были выполнены на дифрактометре D20 в Институте минералогии, физики материалов и космохимии (IMPMC).
«Симуляции предсказывают, что этот переход может быть либо первого порядка, либо плавным, в зависимости от используемой модели», — объясняет Ливия Элеонора Бове.
«Плавный переход особенно интересен, так как он предполагает, что пластическая фаза может быть предшественником трудноуловимой суперионной фазы — еще одной экзотической гибридной формы воды, которая, по прогнозам, существует при еще более высоких температурах и давлениях. В этой фазе атомы водорода могут свободно перемещаться сквозь кристаллическую структуру кислорода».
Как пластические, так и суперионные фазы представляют большой интерес для планетологии. Они могут помочь лучше понять внутреннюю структуру и ледниковые потоки спутников-гигантов, таких как Ганимед и Каллисто, а также ледяных планет, таких как Уран и Нептун, где эти фазы, возможно, преобладают.
Хотя метод нейтронного рассеяния традиционно не использовался в планетологии, его способность точно определять расположение и динамику атомов водорода в материале, а также возможность проведения экспериментов при давлениях, сравнимых с планетарными условиями, сделали его важным инструментом в этой области. И, возможно, впереди нас ждут новые открытия еще более экзотических фаз воды.