Gheață mai fierbinte decât lava, creată în laborator

Cercetarea, publicată în revista Physical Review Letters, ar putea ajuta la înțelegerea structurii interne a celor doi giganți de gheață și a câmpurilor lor magnetice neobișnuite.

Între solid și lichid

Spre deosebire de gheața obișnuită dintr-un congelator, forma superionică se poate forma la peste 2.000 de grade Celsius, în condiții de presiune extremă. Particularitatea acestei stări constă în comportamentul diferit al celor doi atomi care compun apa, oxigenul rămâne fixat într-o rețea cristalină rigidă, tipică unui solid, în timp ce protonii din nucleele de hidrogen se deplasează liber prin structură. Rezultă astfel o formă de materie cu o parte fixă și cu particule mobile în interiorul ei.

Tocmai mobilitatea protonilor permite gheții superionice să conducă electricitatea, ceea ce o face relevantă pentru modelele privind interiorul giganților de gheață. Existența unor forme similare de apă fusese, potrivit ScienceAlert, o predicție teoretică veche, confirmată abia acum prin observații directe, în condiții extrem de greu de reprodus în laborator.

Apă comprimată între vârfurile a două diamante

Fizicianul Alexis Forestier, de la Comisia Franceză pentru Energii Alternative și Energie Atomică (CEA), a coordonat experimentul. Proba, apă ultrapură, a fost plasată într-o celulă cu nicovală de diamant, un dispozitiv în care un eșantion minuscul este comprimat la presiuni enorme între vârfurile a două diamante, iar încălzirea s-a făcut simultan, cu ajutorul unor fascicule laser.

La European Synchrotron Radiation Facility din Franța, radiațiile X au fost cele care le-au permis cercetătorilor să vadă felul în care se așezau atomii într-un eșantion cu diametrul de numai 12 micrometri. La cea mai ridicată intensitate a experimentului s-a ajuns la 229 de gigapascali, echivalentul a circa 2,3 milioane de atmosfere, și la 2.630 Kelvin, adică aproximativ 2.357°C, condiții în care apa se comportă radical diferit față de cea din viața obișnuită.

O structură observată acum direct

Modul de organizare a atomilor de oxigen în interiorul gheții superionice a constituit un obiectiv central al analizei. Fcc, adică structura cubică cu fețe centrate, era deja documentată, însă noul experiment a adus, pentru prima dată, observarea clară a unei a doua configurații, cea hexagonală compactă (hcp), anticipată până acum doar de modelele teoretice. Cele două configurații se disting prin felul particular în care se succed straturile de atomi, iar un amestec al lor a fost identificat la presiuni și temperaturi mai scăzute.

La 219 gigapascali și 2.630 Kelvin, altfel spus aproape 2.357°C, structura hexagonală ajunsese să domine clar, în timp ce semnalul specific formei cubice era aproape stins, iar această tendință s-a accentuat treptat, odată cu creșterea presiunii și a temperaturii. Conform aceleiași analize, odată ajunsă în regimul superionic, gheața capătă structură predominant hexagonală la presiuni de peste 200 de gigapascali și temperaturi ce depășesc 1.800 Kelvin.

Un experiment mai vechi, explicat acum

Rezultatele au scos la iveală și un aspect neașteptat: odată identificată noua structură, echipa a revizuit datele unui experiment anterior, unde rămăsese nerezolvat un semnal de difracție înregistrat la peste 130 de gigapascali. Noile date indică faptul că acel semnal aparținea tot gheții cu structură hexagonală.

Practic, e posibil ca acest tip de gheață să fi fost deja obținut într-un experiment anterior, fără ca echipa să își dea seama, la momentul respectiv, despre ce era vorba.

Legătura cu misterul câmpurilor magnetice

Motivul pentru care aceste condiții extreme au fost recreate în laborator ține de legătura lor cu ceea ce s-ar putea petrece în interiorul lui Uranus și Neptun, giganții de gheață ai Sistemului Solar, unde ar exista cantități uriașe de apă expusă unor presiuni și temperaturi extreme. În 1986, la survolarea lui Uranus, sonda Voyager 2 a identificat un câmp magnetic aflat la mare distanță de tiparul terestru, axa sa se abate puternic de la axa de rotație a planetei, iar centrul câmpului nu coincide cu centrul planetei. În 1989, survolarea lui Neptun a relevat o situație similară.

Cercetătorii speculează că astfel de anomalii magnetice s-ar explica prin prezența, în adâncul planetelor, a unor straturi capabile să conducă electricitatea, iar gheața superionică figurează printre principalele ipoteze avansate.

Comparativ cu forma de gheață superionică deja cunoscută, noua configurație hexagonală ar putea conduce electricitatea altfel și s-ar putea comporta diferit din punct de vedere mecanic, ceea ce ar oferi o explicație posibilă pentru originea câmpurilor magnetice ale celor două planete.

Potrivit autorilor cercetării, trecerea gheții superionice de la structura cubică la cea hexagonală ar trebui inclusă în modelele care descriu interiorul celor doi giganți de gheață.