Новое исследование команды, в которую входит Александр Гончаров из Карнеги, сосредоточено на физике, лежащей в основе образования типов льда, устойчивых в парадоксальных условиях, которые могут быть обнаружены в недрах планет. Их работа, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences, может бросить вызов текущим представлениям о физических свойствах, обнаруженных внутри ледяных планетных тел.Когда вода (H2O) превращается в лед, молекулы соединяются в кристаллическую решетку, удерживаемую водородными связями. Из-за универсальности этих водородных связей лед обнаруживает поразительное разнообразие по крайней мере 16 различных кристаллических структур.
Но большинство этих структур не могло существовать в недрах замороженных планет и лун.Под высоким давлением множество возможных структур льда сокращается, так же как и пространство между его атомами кислорода, связанными водородными связями, по мере того, как лед становится плотнее. Когда давление увеличивается примерно до 20 000 атмосфер земной атмосферы (2 гигапаскалей), это количество возможных ледяных структур сокращается до двух — льда VII и льда VIII.
Обычный лед имеет гексагональную структуру. Лед VII имеет кубическую структуру.
Лед VIII имеет тетрагональную структуру.По мере дальнейшего увеличения давления обе формы льда превращаются в другую фазу, называемую льдом X. Это происходит при давлениях, примерно в 600 000 раз превышающих атмосферное давление Земли (60 гигапаскалей), что было бы сопоставимо с условиями давления внутри планеты с ледяным сердечником. , как Нептун или Уран.
Ice X имеет совершенно новую симметричную решетчатую структуру. Это называется немолекулярным льдом, потому что молекула воды распадается, а атомы водорода разделяются между соседними атомами кислорода.Было высказано предположение, что при аналогичном давлении, но более высоких температурах, лед X может трансформироваться в фазу льда, которая может проводить электричество, поскольку атомы водорода свободно перемещаются по решетке кислорода.
Но как такой лед мог бы образоваться при температурах, обнаруживаемых в недрах планеты, остается загадкой.Поскольку внутренности ледяных планетных тел также могут быть солеными из-за взаимодействий между льдом и окружающими камнями или жидким океаном, ведущий автор Ливия Элеонора Бове из CNRS Университет Пьера и Марии Кюри во Франции и Федеральная политехническая школа Лозанны в Швейцарии и остальные члены команды изучали влияние солей на формирование льда X из льда VII.Они обнаружили, что включение солей в лед VII — как обычного хлорида натрия (NaCl), который есть у вас на столе, так и хлорида лития с аналогичной структурой (LiCl) — способствует образованию льда X при все более и более высоких давлениях.
Такие соли легко могли быть включены в качестве примесей, когда материя срослась во время процесса формирования планеты, и присутствовать в горных породах или жидкой воде, с которыми взаимодействует ядро ??льда.«Эти открытия могут поставить под сомнение наши нынешние представления о физике недр ледяных планетных тел», — сказал Гончаров. «Все наши текущие предположения основаны на поведении льда без примесей».Присутствие соли также могло создать условия, при которых мог бы образоваться теоретический электропроводящий тип льда. Команда предложила, что если так, то это могло бы объяснить магнитные поля Урана и Нептуна.
Другими членами группы были: Ричард Гал и Филипп Жилле из Федеральной политехнической школы Лозанны; и Замаан Раза, Адриан-Александр Лудл, Стефан Клотц и Антонино Марко Саитта из Университета Пьера и Марии Кюри (Раза также из Университета Линчепинга в Швеции).Эта работа была поддержана швейцарским NSF, французскими государственными фондами, управляемыми ANR в рамках международной программы Blanc PACS, программой Investissements d’Avenir в рамках кластера передового опыта MATISSE под руководством университетов Сорбонны.