Суперионната фаза съществува при температури от хиляди градуси и захранва магнитните полета на газовите гиганти

Макар според учебниците по физика водата да има само три основни агрегатни състояния – течно, твърдо и газообразно, експерименти при екстремни условия разкриват съществуването на екзотична форма на материята. Под въздействието на смазващо налягане от милиони атмосфери и температури от хиляди градуси се образува така нареченият суперионен лед – горещо и черно вещество, което провежда електричество.

Масовите медийни публикации често определят явлението като "четвърто агрегатно състояние на водата", въпреки че в строгата физика това представлява една от над 20-те известни до момента кристални фази на леда, класифицирани като Лед XVIII и Лед XX.

Кристална решетка в океан от течен водород

За да се създаде суперионен лед в лабораторни условия на Земята, са необходими условия, близки до тези в ядрото на планетите. Температурите трябва да достигнат между 2000 и 5000 градуса по Келвин (близки до тези на повърхността на Слънцето), а налягането да надхвърли атмосферното между 1 и 4 милиона пъти.

При тези екстремни стойности водата едновременно проявява свойствата на твърдо и течно вещество.

„Представете си куб – кристална решетка от кислородни атоми. В тази нова суперионна фаза решетката се разширява, позволявайки на водородните атоми да мигрират свободно, докато кислородните остават стабилни по местата си. Това прилича на твърда кислородна решетка, потопена в океан от плаващи водородни атоми“, обяснява физикът Витали Пракапенка от Университета в Чикаго, чийто екип през 2021 година успя стабилно да задържи и изследва тази фаза чрез използване на диамантена наковалня и рентгенови лъчи.

Предишни пробиви на екипа на Мариус Мило от Националната лаборатория „Лорънс Ливърмор“ пък демонстрираха създаването на тази екзотична форма чрез мощни лазерни ударни вълни, макар и само за част от наносекундата.

Магнитните тайни на Нептун и Уран

Свободното движение на водородните йони в кристалната решетка превръща суперионния лед в отличен проводник на електричество – поведение, което е напълно нетипично за обикновения лед, с който сме свикнали. Освен това, поради специфичното си взаимодействие със светлината, тази форма на водата е по-малко плътна и визуално изглежда черна.

Учените смятат, че суперионният лед вероятно е най-разпространената форма на вода във Вселената. Огромни количества от него се намират в мантиите на ледените гиганти в нашата Слънчева система. Докато магнитното поле на Земята се генерира от въртящото се разтопено желязо във външното ѝ ядро, изместените и асиметрични магнитни полета на Нептун и Уран се обясняват именно с наличието на огромни океани от електропроводим суперионен лед в техните недра.

Бъдещето на енергийните технологии

Картографирането на структурата на водата под екстремно налягане не само помага на астрофизиците да разберат еволюцията на далечните екзопланети. Устойчивото създаване на материали, които комбинират свойствата на твърди тела и течности, отваря напълно нови хоризонти пред инженерството на Земята. Подобни открития могат да послужат като фундаментална база за разработването на принципно нови видове батерии и иновативни устройства за съхранение на енергия.