Niezwykły lód przy ponad 1500°C. Takie warunki mogą panować we wnętrzach Urana i Neptuna

Lód kojarzy się z zimnem i temperaturą poniżej zera. Tymczasem naukowcy odtworzyli w laboratorium warunki, w których woda może pozostawać w niezwykłym stanie przypominającym ciało stałe nawet przy temperaturze przekraczającej 1500°C. Kluczem jest ciśnienie niemal niewyobrażalne na powierzchni Ziemi.

Badanie opublikowane we wrześniu 2026 roku w „Physical Review Letters” dotyczy lodu superjonowego – egzotycznej formy wody, która może występować głęboko we wnętrzach lodowych olbrzymów, takich jak Uran i Neptun.

Lód, ale zupełnie inny niż ten z zamrażarki

W zwykłym lodzie cząsteczki wody są związane w uporządkowanej strukturze. Przy odpowiednio wysokiej temperaturze struktura ta rozpada się i lód topnieje.

Przy ekstremalnym ciśnieniu sytuacja wygląda jednak inaczej.

W lodzie superjonowym atomy tlenu mogą nadal tworzyć uporządkowaną sieć krystaliczną, podczas gdy protony – jądra atomów wodoru – stają się bardzo ruchliwe i przemieszczają się wewnątrz tej struktury. Materiał zachowuje więc część cech ciała stałego, ale jednocześnie charakteryzuje się dużą ruchliwością jonów. To właśnie dlatego fizycy nadal mówią o fazie lodu, mimo że temperatura jest wystarczająco wysoka, by w zwyczajnych warunkach woda dawno zamieniła się w parę.

Prawie dwa miliony atmosfer

Aby stworzyć takie warunki na Ziemi, badacze wykorzystali komórkę z diamentowymi kowadłami. Mikroskopijna próbka wody została umieszczona pomiędzy dwoma diamentami, które pozwalają uzyskać niezwykle wysokie ciśnienie.

Komórka z diamentowymi kowadłami podczas badań w Argonne. Fot. U.S. Department of Energy / Wikimedia Commons.

W eksperymencie osiągano ciśnienia dochodzące do 229 gigapaskali. Dla porównania 200 GPa to w przybliżeniu dwa miliony razy więcej niż ciśnienie atmosferyczne na powierzchni Ziemi.

Próbkę jednocześnie ogrzewano laserem, a jej strukturę badano przy użyciu promieniowania rentgenowskiego. Temperatura podczas eksperymentów dochodziła do 2630 K, czyli ponad 2350°C.

Przy ponad 1500°C zmienia się jego struktura

Naukowcy sprawdzali, jak lód superjonowy zachowuje się wraz ze wzrostem temperatury i ciśnienia. Okazało się, że w najbardziej ekstremalnych warunkach zmienia się sposób ułożenia atomów tlenu.

Przy temperaturach przekraczających około 1800 K, czyli 1527°C, coraz większe znaczenie zyskuje heksagonalna, ciasno upakowana struktura.W tych temperaturach, po przekroczeniu około 200 GPa, struktura hcp stawała się dominująca.

To istotne, ponieważ dokładna struktura lodu superjonowego może wpływać na jego właściwości, m.in. sposób przewodzenia jonów. Wyniki eksperymentu pomagają więc lepiej określić, jak woda może zachowywać się w miejscach, których nie jesteśmy w stanie bezpośrednio zbadać.

Co ma z tym wspólnego Uran i Neptun?

Ogromne ciśnienie i wysoka temperatura występujące w eksperymencie nie zostały wybrane przypadkowo. Podobne warunki mogą panować głęboko we wnętrzach Urana i Neptuna.

Obie planety zalicza się do lodowych olbrzymów, ale określenie to nie oznacza, że ich wnętrza wypełnia zwykły zamarznięty lód. Woda znajdująca się głęboko pod ich atmosferami może być poddawana tak dużemu ciśnieniu i temperaturze, że przyjmuje egzotyczne stany materii.

Lód superjonowy od dawna jest jednym z kandydatów na formę, w jakiej może tam występować woda. Nowe obserwacje pokazują, że jego struktura przy największych ciśnieniach może być inna niż wcześniej zakładano.

Nie oznacza to jednak, że naukowcy bezpośrednio wykryli taki lód na Uranie lub Neptunie. Badanie dotyczyło próbki odtworzonej w laboratorium, a nie materiału pochodzącego z tych planet.

Ponad 1500°C i nadal lód

Na pierwszy rzut oka brzmi to jak sprzeczność, ale w fizyce o stanie materii nie decyduje wyłącznie temperatura. Równie ważne jest ciśnienie.

Lód superjonowy pokazuje, że w ekstremalnych warunkach nawet tak dobrze znana substancja jak woda może przyjmować formy zupełnie inne od tych, które znamy z codziennego życia.