Учёные обнаружили, что при экстремальном давлении водяной лёд перестаёт сохранять ожидаемую кубическую симметрию. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Communications Chemistry в исследовании «Evidence for symmetry-reduction in solid H2O above 222 GPa» («Свидетельства снижения симметрии твёрдой H2O выше 222 ГПа»). Руководил работой физик Эшкан Саламат из Университета Невады в Лас-Вегасе, возглавляющий лабораторию экстремальных условий штата Невада.
Вода образует более 20 разновидностей льда, возникающих при разных сочетаниях температуры и давления. Особое место среди них занимает лёд-X: он появляется при давлениях, которых нет даже в мантии Земли, и характерен для условий внутри ледяных гигантов Урана и Нептуна. В этой структуре атомы кислорода располагаются точно посередине между атомами водорода, формируя симметричную кубическую кристаллическую решётку.
Исследователи решили проверить, как поведёт себя лёд при ещё более сильном сжатии. Для этого они поместили воду в алмазную наковальню — устройство, позволяющее создавать внутри образца чрезвычайно высокое давление. Давление довели до 35 млн фунтов на квадратный дюйм, что превышает условия образования льда-X и соответствует среде, существующей в глубинах Урана и Нептуна.
Структуру вещества изучали с помощью спектроскопии и рентгеновского излучения. Оказалось, что при давлении 222±12 ГПа, то есть более чем в 2 млн раз выше атмосферного давления Земли, лёд не переходит к ещё большей симметрии, а, напротив, теряет кубическую форму. Авторы называют это началом нового режима структурной сложности для воды под высоким давлением и верхним пределом устойчивости льда-X.
При этом наблюдаемая фаза согласуется с теоретическими расчётами: измеренное уравнение состояния льда-X и изменение параметров кристаллической ячейки соответствуют моделям. «Удивительно, как вода может вести себя под давлением», — приводит слова Саламата сайт Universe Today. Учёный отметил, что лабораторные эксперименты позволяют воспроизводить химический состав, давление и температуру, которые могут существовать внутри далёких планет.
Полученные данные показывают, что даже простое соединение H2O в необычных планетарных условиях способно вести себя непредсказуемо. Например, давление в ледяной мантии Урана может достигать 700 ГПа. «Понимание механизмов, действующих в нашей Солнечной системе и наблюдаемой Вселенной, имеет решающее значение для стремления человечества к знаниям», — сказал Саламат.