Neobična vrsta leda pronađena na mnogim planetama topi se na visokim temperaturama

Profesor Moris de Koning je objavio studiju koja objašnjava složenost superjonskog leda i njegov potencijal da otkrije više o neobičnim karakteristikama primećenim kod "ledenih džinova" našeg solarnog sistema.

Fascinantna pojava superjonskog leda

Šta superjonski led čini tako posebnim? Led XVIII je sve samo ne običan. Nastaje pod ekstremnim uslovima – na temperaturama i do 5.000 kelvina (oko 4.700 stepeni Celzijusa) i pritiscima od oko 340 gigapaskala, što je više od 3,3 miliona puta veći pritisak od onog na površini Zemlje.

Na našoj planeti ne postoje ovako surovi uslovi, ali oni se mogu naći duboko unutar ledenih džinova poput Neptuna i Urana, zahvaljujući njihovim masivnim gravitacionim poljima.

Unutar superjonskog leda, voda ne zadržava svoju uobičajenu molekularnu strukturu. Atomi kiseonika formiraju čvrstu mrežu, dok se atomi vodonika, sada lišeni svojih elektrona, slobodno kreću kao pozitivno naelektrisani joni.

„To je kao metalni provodnik poput bakra, ali sa pozitivnim jonima koji formiraju kristalnu rešetku, dok se negativno naelektrisani elektroni slobodno kreću,“ objašnjava de Koning, ugledni profesor sa Instituta za fiziku Gleb Vatahin na Državnom univerzitetu u Kampinasu, Brazil.

Zašto je superjonski led važan?

Superjonski led ili led XVIII fascinira naučnike zbog svoje jedinstvene strukture. Način na koji se ovi slobodni joni vodonika kreću kroz mrežu atoma kiseonika mogao bi da objasni neobične karakteristike Neptuna i Urana, posebno čudno ponašanje njihovih magnetnih polja.

Za razliku od Zemlje, gde se magnetno polje poklapa sa rotacionom osi, Uran i Neptun imaju znatno nagnute ose magnetnog polja – 47 i 59 stepeni u odnosu na njihove rotacione ose.

Ova neusklađenost dugo je zbunjivala naučnike. De Koningova istraživanja sugerišu da bi kretanje protona kroz superjonski led moglo biti uzrok.

„Elektricitet koji protoni provode kroz kiseoničnu mrežu usko je povezan sa pitanjem zašto osa magnetnog polja na ovim planetama ne poklapa sa osom rotacije,“ objašnjava on.

Duboko u unutrašnjosti "ledenih džinova"

Kako bi dodatno istražili ovu teoriju, de Koning i njegov tim su se okrenuli naprednim računarskim simulacijama umesto tradicionalnim eksperimentima.

Koristeći teoriju gustinskih funkcionala (DFT), modelirali su mehaničke osobine leda XVIII kako bi shvatili kako se ponaša pod intenzivnim uslovima unutar Neptuna i Urana.

Ovaj zadatak nije bio lak. Simuliranje leda XVIII zahtevalo je razmatranje ogromnog broja molekula – oko 80.000.

Proračuni su uključivali najsavremenije računarske tehnike, neuronske mreže i algoritme mašinskog učenja. Glavni cilj bio je otkriti kako različiti tipovi defekata u kristalnoj strukturi mogu biti povezani sa velikim deformacijama, a samim tim i sa misterioznim magnetnim poljima.

Defekti kristala i druge nepravilnosti

U svetu kristala, defekti se obično smatraju nedostacima koji remete uobičajeni raspored atoma. Međutim, u superjonskom ledu, ti defekti bi mogli biti ključ za njegovo razumevanje.

Studija je istraživala specifičan tip defekta poznat kao "dislokacija," koja se dešava kada postoji uglovna razlika između susednih slojeva kristala.

De Koning koristi jednostavnu analogiju: „Zamislite tepih koji je naboran; nabori su na neki način slični dislokacijama u kristalu.“ On dalje objašnjava: „Dislokacija u metalurgiji ima značaj kao što DNK ima u genetici.“

Simulacijom ovih dislokacija unutar leda XVIII, tim je zaključio da bi sila potrebna da izazove deformaciju leda mogla da objasni jedinstvena magnetna svojstva ovih planeta.

Otkrili su da specifični uslovi unutar Neptuna i Urana, u kombinaciji sa osobinama leda XVIII, stvaraju savršeno okruženje za ove pojave.

Superjonski led u laboratoriji

Iako zvuči kao koncept iz naučne fantastike, superjonski led postaje sve važniji za naše razumevanje svemira. Godine 2019, naučnici su uspeli da stvore malu količinu leda XVIII koristeći lasere visokih performansi kako bi komprimovali tanki sloj vode između dijamantskih površina — postignuće koje je otvorilo brojne mogućnosti za buduća istraživanja.

Za sada, međutim, naše razumevanje superjonskog leda uglavnom dolazi kroz simulacije, poput one koju je predvodio de Koning.

On objašnjava: „Ovo je bio najzanimljiviji aspekt studije, integrisanje znanja iz metalurgije, planetologije, kvantne mehanike i računarske nauke.“

Proučavanje leda radi boljeg razumevanja svemira

Razumevanje superjonskog leda ne samo da zadovoljava našu radoznalost o tome šta se krije unutar udaljenih planeta, već može revolucionisati i naše shvatanje osnovnih zakona fizike koji upravljaju materijom.

Kako otkrivamo više o stanjima poput onih koja se nalaze na Uranu i Neptunu, mogli bismo da pronađemo nove materijale ili svojstva koja bi mogla imati primenu na Zemlji — od superprovodnika do novih tipova skladištenja energije.

Dakle, sledeći put kada posegnete za kockom leda iz svog zamrzivača, setite se fascinantnog sveta leda XVIII. To je podsetnik koliko toga još imamo da otkrijemo, kako u svemiru, tako i na našoj planeti, prenosi Earth.com.