Американські фізики вперше експериментально отримали суперійний лід - особливий стан льоду, в якому іони кисню утворюють жорстку кристалічну решітку, а іони водню вільно по ній переміщаються. Теоретично така форма льоду була передбачена ще 30 років тому, але отримати її експериментально вдалося вперше, пишуть вчені в.
Близько 30 років тому теоретично було передбачено, що при надвисоких тисках і температурах в кілька тисяч градусів водний лід може існувати в суперіонній формі. У такому стані іони кисню утворюють жорстку зв'язану решітку, а іони водню по цій решітці переміщуються подібно рідини. Умови, за яких має утворюватися суперійна крига, характерні, наприклад, для Нептуна або Урану - планет з групи крижаних гігантів, в надрах яких міститься досить велика кількість високотемпáних модифікацій льоду, серед яких, ймовірно, є і суперійний. Однак отримати такий лід в лабораторних умовах і підтвердити існування цієї фази експериментально до теперішнього моменту не вдавалося.
Американські фізики під керівництвом Маріуса Міллота (Marius Millot) з Ліверморської національної лабораторії вперше змогли отримати суперійний лід в лабораторії. Для цього вчені використовували ударне стиснення льоду-VII під дією лазера. Лід-VII - одна з розупорядкованих кубічних модифікацій льоду, яку можна отримати при тиску близько 2,5 гігапаскалів (що в 25 тисяч разів більше атмосферного) і кімнатній температурі. Такий лід автори роботи синтезували в комірці з алмазними ковадлами, після чого за допомогою лазера збуджували в ньому ударні хвилі, які поширювалися зі швидкістю від 4 до 10 кілометрів на секунду і призводили до локального нагрівання і збільшення тиску. Необхідні умови виникали на дуже короткий час (близько 10 - 20 наносекунд), після чого вода випаровувалася.
За станом льоду вчені спостерігали за допомогою інтерференційної велосиметрії і пірометрії, що дозволяють оцінити тиск і температуру за оптичними характеристиками. Крім того, за допомогою чисельного моделювання з використанням теорії функціоналу щільності та молекулярної динаміки фізики показали, що за використаних умов дійсно має утворюватися суперійний лід. Згідно з отриманими результатами, можливість утворення суперійного льоду сильно підвищує температуру плавлення, яке починається тільки при температурі близько 5 тисяч градусів і тиску в 190 гігапаскалей.
Автори роботи також показали, що для суперійного льоду характерна і дуже висока іонна провідність. Оскільки катіони водню всередині такої структури рухаються відносно вільно, то протонна провідність перевищує 100 сименсів на сантиметр. При цьому зберігається і невелика електронна провідність.
За словами авторів роботи, можливістю переходу з твердого стану не в рідке, а в суперійне можна пояснити і деякі інші фазові переходи у воді, що спостерігалися в інших роботах при тисках близько 50-70 гігапаскалів.
Вчені стверджують, що експериментальне підтвердження існування суперійного льоду, по-перше, показує застосовність використовуваних в даний момент комп'ютерних моделей для чисельного розрахунку і моделювання, а по-друге, дає велику кількість дуже важливої інформації про стан води на небесних тілах, для яких характерні подібні температура і тиск. Виходячи з отриманих результатів, наприклад, для крижаних гігантів можна оцінити механічні, магнітні та електронні властивості їх крижаних оболонок.
Оскільки водень і кисень - одні з найбільш поширених елементів у Сонячній системі, а молекула води має дуже стійку структуру, досить велика кількість різних форм льоду знаходять не тільки на крижаних гігантах, але і на більш маленьких планетах та інших небесних тілах. Наприклад, нещодавно на Марсі вчені виявили відразу вісім ділянок, де лід виходить на поверхню планети. До цього за допомогою зонда Dawn лід вдалося виявити на карликовій планеті Церера і астероїді Веста.