Experiment se stvořením superionizovaného ledu. Kredit: M. Millot/E. Kowaluk/J.Wickboldt/LLNL/LLE/NIF.

Je to pevné a kapalné zároveň. Má to šedesátkrát vyšší hustotu než tradiční vodní led. A je to horké skoro tak, jako povrch Slunce. Právě takový je superionizovaný led (superionic ice). Dlouho jsme věřili, že takový led existuje v útrobách ledových obrů Sluneční soustavy Uranu a Neptunu. Doteď to ale bylo jenom čiré teoretizování.

Teď už to není teorie. Nedávno poprvé vyrobili superionizovaný led v kalifornských laboratořích Lawrence Livermore National Laboratory. Vedoucí výzkumu Marius Millot a jeho kolegové experimentálně doložili, že superionizovaný led skutečně existuje, a že nejde o nějaké podivné artefakty počítačových simulací, nýbrž výsledek podivuhodného chování vody za šílených podmínek.

Marius Millot. Kredit: LLNL.

Vědci předpověděli existenci podivné fáze vody, která je zároveň kapalná a pevná, už před třiceti lety. Taková hmota by se měla nacházet v prostředí o extrémním tlaku a teplotě, jako je uvnitř plynných planet. Když je voda v superionizované fázi, tak se atomy vodíku a kyslíku chovají velice bizarně. Vodíkové ionty se v superionizovaném ledu pohybují jako kapalina uvnitř pevné krystalické mřížky z atomů kyslíku.

Udělat něco takového v laboratoři nebylo vůbec snadné. Millot s kolegy nejprve museli stlačit vodu do podoby ultrapevného kubického krystalického ledu, který je odlišný od ledu, se kterým se můžeme běžně setkat v zimě nebo v ledničce. Aby toho docílili, museli použít diamantové komory, v nichž vyvinuli tlak 2,5 gigapascalu, tedy 25 tisíci násobek atmosférického tlaku na Zemi. Pak vědci museli zahřát a stlačit obsah diamantových komor ještě víc, takže to do nich naprali laserovými paprsky. Každou z komor zasáhli až šesti paprsky a tlak v nich zvýšili ještě stokrát.

Atomy vodíku tečou skrz kyslíkovou mřížku v superionizovaném ledu. Kredit: S. Hamel/M. Millot/J.Wickboldt/LLNL/NIF.

Když získali superionizovaný led, tak Millot s kolegy pohotově analyzovali jeho optické a termodynamické vlastnosti. Museli být opravdu rychlí, protože komplikovaně vytvořená hmota vydržela jenom tak asi 10 až 20 nanosekund. Výsledky jejich měření byly … bizarní. Ukázalo se, že superionizovaný led taje při 4 725 °C, za tlaku 200 gigapascalů. Sami vědci se zdráhali uvěřit, že led z vody může existovat za tak pekelných podmínek. Ale je to tak.

Ledoví obři Sluneční soustavy. Kredit: NASA/JPL-Caltech / NASA.

Experimentální vytvoření superionizovaného ledu také mění náš pohled na planetární ledové obry. Planetární vědci se doposud domnívali, že v jejich vnitřku spíše převažuje kapalina. Teď to ale vypadá, že by ledoví obři mohli v sobě mít jen relativně tenkou vrstvu kapaliny a zároveň mocný „plášť“ ze superionizovaného ledu.

Takový model vnitřního uspořádání ledových obrů potvrzuje asi deset let staré počítačové simulace, které se snažily vysvětlit podivná magnetická pole Uranu a Neptunu. Například u Uranu je magnetické pole vychýleno téměř o 60° vzhledem k ose rotace a u Neptunu je to 47°. To jsou extrémní hodnoty oproti Zemi, jejíž magnetické pole je vychýleno o pouhých 11°. A jejich magnetická pole mají i jiné podivnosti. Ledoví obři nás provokují a doslova si žádají o detailní výzkum.

Literatura
Live Science 20. 4. 2018, Nature Physics 14: 297–302.