Uusi hexagonaalinen superioninen jää muuttaa planeettamalleja

Ehdoin, jotka kuulostavat enemmän tieteiskirjallisuudelta kuin laboratoriotyöltä, vesi muuttuu joksikin, joka ei ole täysin kiinteää eikä nestemäistä, ja syntyvä aine voi muuttaa käsityksiämme jääjättiläisten syvistä sisuksista.

Löydös syntyi kokeesta, jossa pieniä vesipisaroita puristettiin ja kuumennettiin niin, että ne käyttäytyivät tavoilla, joita tavallinen jää ei koskaan näytä tekevän. Timanttipaliceilla tuotettiin yli 200 gigapaskalin paineita (noin 2,3 miljoonaa kertaa Maan ilmakehän paine) ja kohdistetuilla laseilla nostettiin lämpötiloja yli 2 600 kelviniin. Tiimi tutki atomista tukirakennetta tarkalla synkrotronisen röntgensäteen kärjellä.

Alexis Forestierin johtamat tutkijat havaitsivat kuusikulmaisen tiiviisti pakkautuneen (hcp) superionisen jään muodostuvan äärimmäisissä paineissa ja lämpötiloissa, faasin, jonka teoria oli ennustanut kauan mutta jota ei laboratoriossa ollut selvästi nähty ennen tätä.

Mikä tekee superionisesta jäästä niin outoa, on sen kaksoisluonne: happiatomit jäätyvät paikoilleen ja asettuvat kiderakenteeksi, kun taas vedyn ytimet, käytännössä protonit, virtaavat tuon kiderakenteen läpi kuin neste. Tämä liikkuvuus antaa aineelle sähköisiä ja kuljetusominaisuuksia, joita millään tutuilla kiinteillä aineilla ei ole.

Superionisen jään happi-vedyn do-si-do.

Aiemmat kokeelliset työt olivat jo paljastaneet kuutiollisen kappakeskeisen (fcc) superionisen järjestelyn. Forestierin kokeissa röntgensirontamallit kuitenkin paljastivat erilaisen happikerrosten pinoutumisen, kuusikulmaisen tiiviisti pakkautuneen (hcp) kuviion, joka alkoi ilmaantua ja voimistua paineen ja lämpötilan noustessa. Noin 1 700 kelvinissä kideverkko näytti merkkejä, jotka olivat yhdenmukaisia superionisen käyttäytymisen alun kanssa. Lähes 2 200-2 600 kelviniin ja yli 197 gigapaskalin paineisiin mennessä hcp-signaali hallitsi spektriä.

Siirtymä fcc:stä hcp:hen on atomitasolla hienovarainen, kyse on siitä, miten identtiset happikuplakerrokset pinoutuvat, mutta hienovarainen ei tarkoita merkityksetöntä. Eri atomijärjestyksillä olevat materiaalit voivat johtaa sähköä ja muodonmuutua kuormituksen alla hyvin eri tavoin. Jos hcp-superioninen jää johtaa varausta tai käyttäytyy mekaanisesti eri tavalla kuin sen fcc-serkku, se voisi muuttaa malleja siitä, miten varaus ja lämpö liikkuvat Uranuksen ja Neptunuksen vaipissa.

Olosuhteet, joissa tutkijat havaitsivat uuden hcp-jääfaasin (täytetyt kolmiot ja täytetyt ympyrät), osoittavat sen ilmaantumisen äärimmäisissä paineissa ja lämpötiloissa.

Miksi sillä on merkitystä? Koska nuo kaksi planeettaa käyttäytyvät erikoisesti. Niiden magneettikentät ovat poikkeuksellisen kaltevia ja siirtyneitä, sotkuisempia verrattuna Maan siistiin dipoliin. Yksi johtava ajatus on, että eksoottiset, johtavat vesijään muodot niiden sisuksissa auttavat synnyttämään noita kummallisia kenttiä. Uuden stabiilin superionisen jääfaasin löytäminen lisää uuteen palapeliin tärkeän osan.

Kokeellinen tie tähän tulokseen yhdisti raakavoiman ja hienovaraisuuden. Timantit tarjosivat puristuksen, laserit lämpökäsittelyn, ja synkrotroni paljasti sirontapiikit, atomijärjestyksen pieniä sormenjälkiä. Tiimi tarkasteli jopa aiempia aineistoja uudelleen ja löysi himmeän sirontapiikin yli 130 gigapaskalissa, joka nyt tulkitaan varhaiseksi vihjeeksi hcp:stä, todisteeksi siitä, että faasi saattoi olla tuotettu aiemmin mutta jäänyt tunnistamatta.

Työtä on vielä tehtävänä. Artikkeli raportoi rakenteellisen löydön ja antaa paine-lämpötilakoordinaatit sille, missä hcp ilmenee, mutta kysymyksiä on edelleen siitä, kuinka sähköisesti johtava tai mekaanisesti plastinen tämä uusi faasi on, ja kuinka helposti se muuntuu fcc:stä takaisin ja päinvastoin muuttuvissa olosuhteissa. Kirjoittajat kutsuvat teoreettisia ja kokeellisia jatkotutkimuksia kartoittamaan näitä ominaisuuksia ja määrittämään stabiilisuusrajat.

Ensisilmäyksellä kyse on atomijärjestelyn muutoksesta. Planeetan mittakaavassa se voi muuttaa peliä.

Forestier ja kollegat julkaisivat löydöksensä Physical Review Letters -lehdessä vuonna 2026. Seuraava askel: selvittää, mitä tämä jää käytännössä tekee, kun se humisee planeetan sisällä.