Voda je, promatrana kao tekućina, iznimno neobična. Kada se zaledi, postaje manje gusta, ima neuobičajeno visoku površinsku napetost, a i temperatura vrelišta viša je nego što bi se očekivalo s obzirom na njezinu molekularnu masu. Prema nekim svojstvima čak bi se moglo očekivati da je na sobnoj temperaturi plin.

Međutim, promijenimo li tlak i temperaturu, voda postaje još neobičnija. Znanstvenici su sada eksperimentalno pokazali jedan od najčudnijih oblika leda dosad - pri tlakovima do čak 2,3 milijuna atmosfera i temperaturama do 2630 kelvina, odnosno oko 2357 Celzijevih stupnjeva.

Pri takvim temperaturama očekivali bismo da voda postane para, uz dio molekula koje bi se čak raspale na vodik i kisik, no izgleda da se pod ovim uvjetima koji vladaju duboko unutar planeta događa nešto drugo.

Kada voda prelazi iz tekućeg u plinovito stanje, ona se širi, dok pod pritiskom od nekoliko milijuna atmosfera to širenje više nije moguće postići na uobičajen način. Voda zato može ostati iznimno gusta i poprimiti egzotične oblike kakve ne susrećemo na površini Zemlje.

Jedan od njih je superionski led, vrlo neobično stanje materije koje nije ni potpuno kruto ni potpuno tekuće. Atomi kisika ostaju učvršćeni u pravilnoj kristalnoj rešetki, kao u krutini, dok se jezgre vodika slobodno kreću kroz tu rešetku, više nalik česticama u tekućini. Ovisno o tlaku i temperaturi, atomi kisika se mogu rasporediti u različite strukture, odnosno faze. Znanstvenici danas poznaju više od dvadeset različitih faza leda, a neke od njih pri ekstremnim uvjetima prelaze u superionsko stanje.

Smatra se da superionski led postoji duboko unutar Urana i Neptuna, gdje bi njegova neobična svojstva mogla imati ulogu u stvaranju jednako neobičnih magnetskih polja tih planeta.

Novi oblik superionskog leda

U novom eksperimentu tim predvođen fizičarem Alexisom Forestierom iz francuskog Povjerenstva za alternativne izvore energije i atomsku energiju izložio je uzorke vode uvjetima kakvi bi mogli vladati u unutrašnjosti ledenih divova.

Uzorci vode stisnuti su između vrhova dijamanata do tlakova od čak 230 gigapaskala, dok su ih laseri zagrijavali na nekoliko tisuća stupnjeva. Za usporedbu, to je oko 2,3 milijuna puta veći tlak od atmosferskog tlaka na razini mora. Tlak u središtu Zemlje iznosi oko 360 gigapaskala.

Zatim su znanstvenici vrlo uskim snopom rendgenskih zraka iz sinkrotrona promatrali promjene u kristalnoj strukturi leda. Rezultat je bio oblik ranije predviđen teorijskim izračunima, ali nikada potvrđen eksperimentom - heksagonskoj gusto pakiranoj strukturi, odnosno hcp ledu.

Kako se hcp kristal zagrijavao, njegovo širenje pokazalo je i obilježja superionskog ponašanja, što sugerira da je materijal prešao u superionsko stanje pri temperaturi od približno 1700 kelvina. Naziv hcp odnosi se na način na koji su atomi kisika raspoređeni, poput kuglica složenih u guste slojeve. Postoji više načina na koje se takvi slojevi mogu slagati, a da pritom ostanu maksimalno zbijeni.

Jedan ranije poznati oblik superionskog leda ima kubičnu plošno centriranu strukturu, poznatu kao fcc. Kod novootkrivenog hcp leda slojevi su posloženi drugačijim redoslijedom. Istraživači su pronašli dokaze da se jedna struktura pomicanjem slojeva može pretvoriti u drugu, a izgleda kao da do te promjene dolazi kada uvjeti postanu još ekstremniji.

Eksperiment na ekstremnim temperaturama

Pri tlaku od 155 gigapaskala i temperaturi od 2000 kelvina rendgenski je signal pokazao mješavinu fcc i hcp strukture. Kada su tlak povećali na 197 gigapaskala, a temperaturu na 2250 kelvina, znakovi hcp strukture postali su izraženiji u odnosu na fcc.

Pri posljednjem skupu uvjeta, 219 gigapaskala i 2630 kelvina, signal fcc strukture gotovo je nestao, dok je hcp struktura jasno prevladavala. Zanimljivo je da ovo možda nije prvi put da su znanstvenici proizveli hcp led. Kada su ponovno analizirali podatke iz ranijeg eksperimenta, shvatili su da je jedan prethodno neidentificirani vrh u rendgenskoj difrakciji, zabilježen pri tlakovima većim od 130 gigapaskala, vrlo vjerojatno bio upravo znak prisutnosti hcp leda.

Rezultati sugeriraju da bi pri tlakovima većim od približno 200 gigapaskala hcp mogao postati stabilniji oblik superionskog leda. Promjena je na atomskoj razini vrlo mala, ali njezine posljedice mogle bi biti važne za razumijevanje Sunčeva sustava. Naime, ukoliko hcp led provodi električnu energiju drugačije od fcc leda, njegova prisutnost duboko unutar Urana i Neptuna mogla bi promijeniti postojeće modele kretanja materije i električnog naboja u unutrašnjosti tih planeta. Upravo se takvi procesi smatraju jednim od mogućih čimbenika odgovornih za njihova neobična i asimetrična magnetska polja, piše Science Alert.

Tek počinjemo razumijevati novi led

Znanstvenici zasad još ne znaju kakva su točno svojstva hcp leda. Materijal je tek otkriven, pa će biti potrebno još teorijskih istraživanja kako bi se utvrdile njegove karakteristike, posebno mehanička plastičnost i električna vodljivost. Potrebni su i novi eksperimenti kako bi se precizno utvrdilo pri kojim kombinacijama tlaka i temperature hcp led ostaje stabilan u odnosu na svoj fcc pandan.

Znanstveni rad objavljen je u časopisu Physical review letters.