Физики пообещали Венере суперионный лед

Физики провели моделирование молекулярной динамики модификации льда-VII и выяснили, что протоны внутри него способны перемещаться по кристаллической решетке под действием внешнего электрического поля. Такое поведение характерно для не так давно обнаруженного экспериментально суперионного состояния льда, существование которого возможно на холодных планетах-гигантах, таких как Уран и Нептун. Но появление суперионности под действием электрических полей большой напряженности расширяет спектр небесных тел, на которых возможно существование этого экзотического состояния. В том числе, согласно исследованию, суперионный лед может существовать на Венере. Статья опубликована в Science Advances.

Большая часть льда на Земле представляет собой лед-I_h, который имеет гексагональную кристаллическую решетку. Но существуют еще 17 модификаций водяного льда, отличающихся расположением молекул в элементарных ячейках. В одной из них, получившей название лед-VII, молекулы располагаются в узлах кубической решетки. Такая фаза образуется в широком интервале температур при давлениях выше 2 ГПа и отличается от других модификаций возможностью перехода в суперионное состояние. В этом состоянии атомы кислорода в молекулах воды внутри кристаллической решетки остаются неподвижны, тогда как протоны обретают способность перемещаться по всей элементарной ячейке и даже за ее пределы.

Существование такого состояния физики предсказали еще в 1987 году, а наблюдать его в лаборатории удалось только в 2018. Но еще до лабораторного синтеза исследователи выдвинули теорию о том, что суперионный лед-VII может существовать в мантиях планет-гигантов, таких как Уран и Нептун, так как давление и температура внутри них позволяют существовать этой кристаллической модификации. До этого ученые также показали, что на структуру льда и возникновение у него суперионности могут влиять, кроме всего прочего, внешние электрические поля.

Исследователи из Ирландии, Канады и Чехии под руководством Найла Инглиша (Niall J. English) из Университетского колледжа Дублина провели теоретическое моделирование движения протонов в кристаллической решетке льда-VII с помощью метода ab initio неравновесной молекулярной динамики. Ab initio подходы отличаются от остальных методов квантово-механического моделирования тем, что не используют в работе эмпирических данных, а базируются только на физических законах. В качестве физической основы расчетов авторы использовали метод функционала плотности. Он заключается в принятии нескольких приближений, согласно которым все электроны в системе одинаково взаимодействуют друг с другом, а функционал для определенной точки пространства зависит только от электронной плотности в ней. В отличие от метода Хартри-Фока, в теории функционала плотности многоэлектронная функция заменяется электронной плотностью, что позволяет решать более простое одночастичное уравнение Шредингера для каждого элемента системы.

Авторы выяснили, что при действии электрических полей напряженностью ниже 0,33 вольт на ангстрем суперионность в этой форме льда возникать не будет. Но при более высоких значениях напряженности в системе начали проявляться характерные для суперионного состояния «перескоки» протонов по механизму Гротгуса. Согласно этому механизму образовавшиеся после диссоциации воды ионы водорода прикрепляются к другим, недиссоциированным, молекулам с образованием положительно заряженного гидроксония H₃O⁺. Эта частица довольно неустойчива, поэтому протон отщепляется от нее и переходит к следующей нейтральной молекуле. Таким образом ионы водорода могут бесконечно перемещаться по кристаллической решетке, если сохраняются необходимые для существования этого явления условия.

Кроме теоретических расчетов исследователи построили колебательные спектры льда-VII при действии на него внешнего электрического поля. Они также показали, что при росте напряженности электрического поля у молекул воды появляются колебания, связанные с появлением суперионного механизма диффузии протонов. 

Исходя из более раннего обнаружения электрических полей на Венере и присутствия на ней воды, авторы исследования сделали вывод, что лед-VII в суперионном состоянии может существовать не только на холодных планетах-гигантах, но и на более горячих небесных телах, имеющих сильные электрические поля, таких как Венера. Стоит отметить, что лед-VII наравне с льдом-X, в отличие от других модификаций, может существовать при высокой температуре, вплоть до почти 700 градусов Цельсия, хотя для этого и требуются высокие давления порядка 10 гигапаскалей.

Лед-VII, как и многие другие модификации, существуют при высоком давлении или очень низкой температуре. Однако даже в привычной нам фазе льда-I сосуществуют две разные комбинации — кубическая и гексагональная. Кубическая модификация метастабильна и получить ее в чистом виде ученым до сих пор не удалось. Однако недавно исследователи поставили рекорд: они создали лед-I, в котором содержание кубической фазы достигло 80 процентов.

Никита Шевцев