Sciencemag.cz
Doporučujeme
Existenci superionického (superiontového) ledu předpokládáme v nitru velkých planet a podařilo se ho připravit za extrémních laboratorních podmínek i na Zemi. Tato kašovitá forma existující za vysokých teplot a tlaků je elektricky vodivá, protože protony (vodíková jádra) zde nejsou pevně vázány k atomům kyslíku. Z téhož důvodu předpokládáme, že superionický led by se choval jako kyselina.
Nový výzkum se zaměřil na podmínky stability superionického ledu. Vědci změřil strukturu a vlastnosti dvou fází superionického ledu (led XVIII a led XX). Přivedli vodu k extrémně vysokým tlakům a teplotám v laserem vyhřívané diamantové kovadlince a poté vzorky zkoumali z hlediska jejich struktury a elektrické vodivosti. Výsledkem měření byly stavové diagramy popisující různé fáze ledu. Podařilo se dosáhnout teplot až přes 6 000 °C za tlaků 150 GPa (1,5 milionkrát více než atmosférický tlak), což by mělo odpovídat podmínkám několika tisíc km pod povrchem Uranu nebo Neptunu. (Pro srovnání: na hranicích jádra a zemského pláště předpokládáme teplotu asi 2 700 – 3 700 °C a tlak kolem 135 GPa)
Jako analytická metoda pro stanovení krystalové struktury bylo použito rentgenové záření generované v synchrotronu v Argonne National Laboratory na Chicagské univerzitě. Druhá část experimentů probíhala na Carnegie Institution of Washington, kde se pomocí optické spektroskopie měřila elektrická vodivost.
Výzkumníci nejprve vytvořili led VII a X z vody při pokojové teplotě zvýšením tlaku na několik desítek GPa (viz fázový diagram). Poté při konstantním tlaku zvýšili teplotu zahříváním laserovým světlem. Přitom pozorovali, jak se mění krystalová struktura ledu: Nejprve se atomy kyslíku a vodíku trochu posunuly ze svých původních pozic, poté zůstal pevně vázán pouze kyslík a vytvořil vlastní krystalovou mřížku ve tvaru krychle. Se zvyšující se teplotou se vodík ionizoval a odevzdal svůj jediný elektron kyslíkové mřížce. Kladně nabité protony začaly strukturou volně protékat. To odpovídá právě superionickému ledu, fázi na pomezí pevné látky a kapaliny. Podařilo se připravit dvě fáze superionického ledu, led XVIII a led XX a ve fázovém diagramu vymezit oblasti jejich stability (rozmezí tlaků a teplot).
Fázový přechod ledu na elektricky vodivou kaši má zajímavé důsledky mj. pro otázky týkající se magnetického pole Uranu a Neptunu. Tyto planety se pravděpodobně skládají z více než 60 % z vody. Jejich magnetická pole mají ve srovnání s pozemským neobvyklé vlastnosti: centrum pole se nenachází ve středu planety a pole je hodně vychýlené vzhledem k ose rotace. Modely jeho vzniku proto předpokládají, že na rozdíl od Země není toto pole vytvářeno pohybem roztaveného železa v jádře, ale vodivou kapalinou bohatou na vodu ve vnější třetině (pevné fáze) Uranu/Neptunu.
Fázový diagram vody ukazuje mj. předpokládané podmínky v nitru Uranu a Neptunu a oblast, kde superinocký led může přispívat k neobvyklému magnetickému poli těchto planet. Credit: S. Lobanov, German Research Center for Geosciences GFZ Potsdam
Vitali Prakapenka, Structure and properties of two superionic ice phases, Nature Physics (2021). DOI: 10.1038/s41567-021-01351-8. www.nature.com/articles/s41567-021-01351-8
Zdroj: Helmholtz Association of German Research Centres / Phys.org
