Led vrućiji od lave: nova faza vode nastaje pod pritiskom milijuna atmosfera

Led se obično povezuje s hladnoćom, ali voda u unutrašnjosti ledenih divova može se ponašati potpuno drukčije. U novom eksperimentu znanstvenici su promatrali oblik leda na temperaturi do 2.357 Celzijevih stupnjeva, višoj od temperature na kojoj se mnoge stijene tale. Voda je pritom bila stisnuta pritiskom do 2,3 milijuna atmosfera.

Pri običnom tlaku voda bi se na toj temperaturi pretvorila u paru, a molekule bi se dijelom razdvojile na vodik i kisik. Pod ekstremnim pritiskom širenje je ograničeno. Voda ostaje vrlo gusta i može prijeći u egzotične faze koje ne postoje u svakodnevnim uvjetima na Zemlji.

Jedna od njih je superionski led, stanje koje istodobno ima značajke krutine i tekućine. Atomi kisika ostaju raspoređeni u čvrstoj kristalnoj rešetki, dok se jezgre vodika kroz nju mogu kretati mnogo slobodnije. Takvo kretanje može omogućiti provođenje električnog naboja i utjecati na način na koji se materijal ponaša u dubini planeta.

Tim predvođen fizičarom Alexisom Forestierom sitne je uzorke vode stisnuo između vrhova dijamanata, a zatim ih zagrijavao laserima. Promjene u kristalnoj strukturi pratili su vrlo uskim snopom rendgenskih zraka iz sinhrotrona. Tako nisu zaključivali o ledu samo prema temperaturi i tlaku, nego su izravno tražili tragove rasporeda atoma.

Mjerenja su pokazala konfiguraciju koju su teorijski modeli predviđali, ali je eksperimenti prije nisu nedvosmisleno potvrdili. Riječ je o heksagonalno gusto pakiranom, odnosno hcp ledu. Kao i kod slaganja kuglica u slojeve, različit redoslijed slaganja atoma kisika stvara različitu kristalnu fazu. Ranije poznata faza ima kubičnu strukturu, dok se u novom obliku slojevi slažu drukčije.

Na tlaku od 155 gigapaskala i temperaturi od 2.000 kelvina istraživači su vidjeli mješavinu kubične i heksagonalne faze. Kako su uvjeti postajali ekstremniji, heksagonalni je signal jačao. Pri 219 gigapaskala i 2.630 kelvina gotovo je potpuno prevladao. Zagrijavanje kristala pokazalo je i znakove superionskog ponašanja, koje je počelo oko 1.700 kelvina.

Otkriće je važno za proučavanje Urana i Neptuna. U dubini tih planeta tlak i temperatura mogli bi stvarati superionski led. Ako hcp i kubična faza različito provode električnu struju, njihova prisutnost može promijeniti modele unutarnjeg gibanja naboja. To je povezano s neobičnim, nagnutim i asimetričnim magnetskim poljima tih ledenih divova.

Znanstvenici još ne znaju sva mehanička i električna svojstva hcp leda. Potrebni su dodatni eksperimenti i teorijski izračuni kako bi se utvrdilo u kojem je području tlaka stabilniji od drugih oblika. Vrući led zato nije egzotična zanimljivost bez posljedica, nego novi komadić slagalice u razumijevanju planeta koji se nalaze milijardama kilometara od nas.