Ученые при помощи моделирования показали существование новых фаз соединения воды с гелием. Квантово-механическое моделирование из первых принципов указало на стабильность твердого вещества при высоких давлениях и температуре около 2000 кельвин, а также двух суперионных состояний при более высоких температурах. В одной из суперионных фаз ведут себя подобно жидкости как атомы водорода, так и гелия. Одна из этих форм должна сохраняться при близком к атмосферному давлению, пишут авторы в журнале Nature Physics.
Суперионное состояние — это особая фаза материи, которая одновременно проявляет некоторые свойства и твердого вещества, и жидкости. Классическим примером является существующая при высоких давлениях и температурах форма обычной воды — суперионный лед, также называемый лед XVIII. В этом соединении ионы водорода могут свободно перемещаться внутри кристаллической решетки, образованной атомами кислорода.
Суперионное состояние льда можно сравнить с обычным металлом, так как оно обладает почти такой же высокой проводимостью, только вместо электронов за ток отвечают ионы водорода. Его существование впервые было теоретически предположено около 40 лет назад, но лишь в 1990-х начали появляться первые экспериментальные подтверждения. Детальное строение кислородной кристаллической решетки этого вещества было получено методами рентгенографии совсем недавно.
Суперионная фаза интересна как для фундаментальной науки, так и с точки зрения приложений. В частности, выдвигались идеи, что вещество в таком состоянии находится в недрах ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун. Теоретические оценки показывают, что между каменным ядром и внешними оболочками таких объектов могут складываться подходящие условия для образования суперионных фаз в смесях таких веществ, как вода, аммиак и метан.
С прикладной точки зрения изучение суперионного льда может способствовать развитию технологий накопления химической энергии. С химической точки зрения ионы водорода и лития похожи, поэтому суперионная проводимость и диффузия водорода представляет хорошую модель ионной проводимости в аккумуляторах.
Физики из Китая и Великобритании в новой работе теоретически исследуют свойства смеси гелия с водой при высоких давлениях. Мотивацией к такому выбору компонентов является распространенность гелия во Вселенной, в том числе в составе планет-гигантов, вроде Урана и Нептуна. Несмотря на положение в таблице Менделеева, гарантирующее гелию наивысшую химическую инертность, уже известно достаточно много его соединений с другими элементами, как правило, при очень высоких давлениях.
Для поиска стабильных структур авторы использовали подход из первых принципов, то есть опирались на фундаментальные физические выражения, такие как уравнение Шредингера, а не на приближенные методы. Оказалось, что фаза гидрата гелия HeH2O стабильна в диапазоне давлений от 2 до 8 гигапаскалей (20 — 80 тысяч атмосфер), а He2H2O — при 8 — 92 ГПа. Особая клатратная форма He(H2O)2, существование которой уже предполагалось в других работах, согласно результатам модели должна быть стабильна даже при близких к нормальному давлениях.
Затем ученые с помощью методов моделирования молекулярной динамики исследовали способность атомов двигаться внутри соединения при давлениях от 10 до 12 ГПа и температурах от 200 до 2600 кельвинов. Этот подход позволил выделить для суперионные фазы: в состоянии SI-I свободно перемещается только гелий, а в SI-II к нему присоединяются водород. Первая фаза была обнаружена при температуре в 2000 кельвин, а вторая — при 2300 кельвин. Выше 2400 кельвин вещество плавится, и все слагающие его атомы начинают свободно перемещаться.
Это поведение необычно, так как атомы гелия тяжелее водорода и должны переходить к свободной диффузии при более высокой температуре. Физики решили детальнее исследовать этот эффект и обнаружили, что он объясняется высокой степенью интенсивности связей между атомами кислорода и водорода. В то же время связи, которые обеспечиваются электронами, оказались слабее в случае гелия.
Полученная авторами фазовая диаграмма не предполагает наличия большого количества суперионного гидрата гелия в недрах Нептуна и Урана, но подходящие условия могут быть на других телах. Также в присутствии гелия вещество легче переходит в суперионное состояние, чем чистая вода: согласно выводам работы, фаза SI-I может быть стабильна даже при близкому к норме давлению.
Первые надежные лабораторные свидетельства существования суперионного льда были получены в прошлом году. Недавно были предсказаны образующие при высоких давлениях соединения гелия с железом и кислородом, которые могут существовать в мантии Земли. Физические свойства воды остаются не до конца изученными: недавно ученым впервые удалось получить фазу жидкой воды пониженной плотности, а эксперимент по сжатию льда не подтвердил теорию строения воды как смеси двух жидкостей.