Када је вода изложена температурама од неколико хиљада степени Целзијуса и притисцима који достижу милионе атмосфера, она пролази кроз драматичну трансформацију. У овим екстремним условима, вода улази у ретко стање познато као суперјонска вода.* У овом облику, атоми кисеоника се закључавају у крути чврсти оквир, док се јони водоника слободно крећу кроз структуру, стварајући понашање другачије од уобичајеног леда или течне воде.
Ова необична фаза воде изузетно добро проводи струју, што је чини јаким кандидатом за објашњење чудних магнетних поља уочених око ледених џиновских планета. Верује се да Уран и Нептун садрже огромне количине воде дубоко у својој унутрашњости, што значи да би суперјонска вода могла бити доминантан облик воде у великом делу Сунчевог система.
Дугогодишња мистерија структуре суперјонске воде
Научници су и раније успевали да створе суперјонску воду у лабораторијским експериментима, али је њена унутрашња структура остала слабо схваћена. Ранија истраживања су предложила да би се атоми кисеоника могли распоредити у један од два једноставна кубна узорка. Ово укључује кубни распоред усредсређен на тело, где се додатни атом налази у средини коцке, или кубни распоред усмерен на лице, где атоми заузимају центре сваког лица.
Нова студија открива да је стварност далеко компликованија. Уместо да формирају један уређени образац, атоми кисеоника се састављају у мешовиту структуру која комбинује кубичне регионе усмерене на лице са хексагоналним збијеним слојевима. У хексагоналним регионима, атоми се чврсто слажу у понављајуће хексагоналне обрасце. Када се ови региони споје са кубичним пресецима, резултат је широко распрострањени структурални поремећај. Уместо чисте, понављајуће решетке, атоми формирају хибридну и неправилну секвенцу која се може детектовати само коришћењем изузетно прецизних техника мерења које омогућавају напредни рендгенски ласери.
Рекреирање планетарних екстрема у лабораторији
Да би открили ове детаље, истраживачи су извели два одвојена експеримента. Један је изведен на инструменту Маттер ин Ектреме Цондитионс (МЕЦ) на ЛЦЛС у САД, а други на инструменту ХЕД-ХИБЕФ на европском КСФЕЛ-у. Ова моћна постројења омогућила су научницима да истисну воду до притисака који премашују 1,5 милиона атмосфера и загреју је на неколико хиљада степени Целзијуса, а све док снимају снимке њене атомске структуре у року од трилионитих делова секунде.
Налази су уско усклађени са најнапреднијим компјутерским симулацијама и показују да суперјонска вода може усвојити вишеструке структурне облике, слично као обични лед, за који се зна да постоји у многим различитим кристалним фазама у зависности од температуре и притиска. Рад појачава идеју да вода – упркос својој привидној једноставности – наставља да открива неочекивана и изванредна понашања у екстремним условима. Ови резултати такође помажу да се прецизирају модели унутрашње структуре и дугорочне еволуције планета ледених џинова, за које се сматра да су уобичајене у целом универзуму.
*Суперионска вода је необично стање воде које се формира под екстремно високим притисцима и температурама, далеко изнад оних на Земљиној површини. У овој фази, вода се понаша као чврста супстанца, али јони водоника могу слободно да се крећу кроз круту решетку атома кисеоника. Ова јединствена комбинација даје суперјонској води способност да проводи електричну енергију. Научници верују да постоји дубоко унутар великих планета, где се такви екстремни услови природно јављају.
Истраживање је подржано кроз заједничку иницијативу између Немачке истраживачке фондације (ДФГ) и француске агенције за финансирање истраживања АНР. Експериментима и анализама допринело је више од 60 научника из Европе и САД.
