Bilanțul experimental a confirmat prezența unei gheațe exotice, manifestându-se la presiuni de până la 2,3 milioane de atmosfere și la temperaturi de mii de grade Celsius.
Această descoperire poate contribui la elucidarea unor trăsături neobișnuite ale planetelor Uranus și Neptun, în care se presupune că există gheață superionică.
Cercetătorii au identificat o formă neconvențională de gheață
Apa prezintă caracteristici neobișnuite chiar și în condiții standard. De pildă, gheața este mai puțin densă decât apa lichidă, motiv pentru care plutește, iar apa are un punct de fierbere neobișnuit de înalt raportat la masa moleculelor sale.
În situații extreme, comportamentul apei devine și mai surprinzător.
Cercetătorii coordonați de fizicianul Alexis Forestier, din cadrul Comisariatului pentru Energie Atomică și Energii Alternative din Franța, au expus cantități extrem de mici de apă la presiuni și temperaturi asemănătoare celor din interiorul planetelor gigantice de gheață, scrie Science Alert.
Experimentele au fost efectuate la presiuni de până la 230 de gigapascali, echivalente cu aproximativ 2,3 milioane de ori presiunea atmosferică de la nivelul mării.
Noul tip de gheață a fost observat la temperaturi de mii de grade
Pentru a replica condițiile extreme, cercetătorii au comprimat probele de apă între vârfurile unor diamante și le-au încălzit cu ajutorul laserelor.
Temperaturile au atins 2.630 de kelvini, adică aproximativ 2.357 de grade Celsius.
În mod obișnuit, la astfel de temperaturi, apa ar trebui să devină gaz. Sub presiuni uriașe însă, expansiunea apei este împiedicată, iar moleculele pot rămâne într-o stare extrem de densă.
Pentru a observa structura materialului, cercetătorii au utilizat un fascicul foarte îngust de raze X provenit de la un accelerator de particule de tip sincrotron.
Rezultatele au arătat existența unei structuri de gheață denumite hexagonal close-packed (hcp), care fusese anticipată teoretic, dar nu fusese identificată fără ambiguitate în experimente.
Gheața superionică este simultan solidă și lichidă
Descoperirea se referă la un tip și mai neobișnuit de materie: gheața superionică.
În această stare, atomii de oxigen rămân organizați într-o structură cristalină rigidă, asemenea unui solid. În schimb, nucleele de hidrogen se pot deplasa prin această structură, comportându-se într-o anumită măsură asemenea particulelor dintr-un lichid.
Astfel, materialul afișează simultan caracteristici asociate cu starea solidă și cu cea lichidă.
Sunt deja cunoscute mai multe forme de gheață, iar în anumite condiții unele dintre ele pot deveni superionice. Cercetătorii încearcă să determine în ce condiții apar diferitele faze și cât de stabile sunt acestea.
Forma de gheață descoperită ar putea exista pe Uranus și Neptun
Descoperirea este semnificativă nu doar pentru studiul apei, ci și pentru înțelegerea planetelor din Sistemul Solar.
Uranus și Neptun sunt considerate giganți de gheață, iar în interiorul lor presiunile și temperaturile sunt atât de mari încât cercetătorii cred că ar putea exista forme de gheață superionică.
Proprietățile acesteia ar putea fi legate de modul în care se deplasează materia și sarcinile electrice în interiorul celor două planete.
Acest lucru este important deoarece Uranus și Neptun posedă câmpuri magnetice neobișnuite, mult diferite de cele ale Pământului. Câmpurile lor magnetice sunt înclinate și nu sunt centrate în același mod față de interiorul planetelor.
Cercetătorii au observat transformarea dintre două forme de gheață
Experimentele au demonstrat și că structurile hcp și fcc, o altă formă de gheață superionică identificată anterior, se pot transforma una în cealaltă pe măsură ce presiunea și temperatura cresc.
La 155 de gigapascali și 2.000 de kelvini, semnalul obținut cu ajutorul razelor X arată prezența ambelor structuri.
La 197 de gigapascali și 2.250 de kelvini, structura hcp devenea mai vizibilă, iar la 219 gigapascali și 2.630 de kelvini, aceasta domina aproape complet semnalul observat.
Cercetătorii au revizuit inclusiv date obținute în cadrul unui experiment mai vechi și au constatat că un semnal observat anterior la presiuni de peste 130 de gigapascali ar fi putut reprezenta, de fapt, aceeași formă hcp de gheață.
Noul tip de gheață ar putea schimba modul în care sunt înțelese planetele
Cercetătorii nu cunosc încă toate proprietățile acestei forme de gheață. Sunt necesare noi experimente și calcule teoretice pentru a determina, printre altele, conductivitatea electrică și proprietățile mecanice ale gheții hcp.
Dacă această formă de gheață conduce electricitatea într-un mod diferit față de structura fcc, descoperirea ar putea impune modificarea modelelor referitoare la interiorul lui Uranus și Neptun.
Mai precis, proprietățile gheții ar putea contribui la explicarea modului în care materia și sarcina electrică se deplasează în interiorul celor două planete și, implicit, a modului în care sunt generate câmpurile lor magnetice neobișnuite.
