Открытие двух новых форм соленой воды может переписать фундаментальную химию
Две недавно открытые формы замороженной соленой воды могут помочь ученым разгадать тайну, касающуюся покрытых льдом спутников Солнечной системы. Соответствующее исследование было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Под воздействием более высоких давлений и более низких температур, чем в природе на Земле, атомы в гидратированном хлориде натрия, более известном как соленый водяной лед, упорядочиваются в никогда ранее не идентифицированные структуры, в которых доля молекул воды гораздо выше чем соль.
Это может объяснить странную химическую характеристику вещества на поверхности спутника Юпитера Европы, которое кажется более водянистым, чем ожидают ученые.
«В наши дни в науке редко случаются фундаментальные открытия. Соль и вода очень хорошо известны в земных условиях. Но кроме того, мы в полном неведении. переделать всю фундаментальную минералогию, которую люди сделали в 1800-х годах, но при высоком давлении и низкой температуре. Это захватывающее время», - пояснил Батист Журно из Вашингтонского университета.
Соль и вода, также известные как хлорид натрия и дигидрогеноксид, в изобилии присутствуют в нашем родном мире. При соединении молекулы соли растворяются в молекулах воды, образуя раствор. Присутствие соли снижает температуру замерзания раствора по сравнению с несоленой водой, но поскольку температура продолжает падать в типичных земных атмосферных условиях, он в конечном итоге замерзнет.
Когда это происходит, молекулы образуют жесткую решетчатую структуру, известную как гидрат. На Земле (за пределами лаборатории) эта структура имеет только одну конфигурацию: одна молекула соли на каждые две молекулы воды.
На таких спутниках, как Европа и Ганимед, которые вращаются вокруг Юпитера, и на спутнике Сатурна Энцеладе ученые также нашли доказательства наличия соли и воды, только условия, в которых они находятся, сильно отличаются от земных.
Находясь в почти вакууме космоса, вдали от Солнца, поверхности этих далеких миров могут стать очень холодными. Под их ледяными покровами лежат океаны, которые в некоторых случаях могут быть более чем в 100 раз толще, чем самые глубокие воды на Земле, что приводит к довольно экстремальным давлениям и температурам.
Журно и его коллеги решили исследовать влияние соли на производство льда. Они сжали крошечную каплю соленой воды в ячейке с алмазной наковальней в чрезвычайно холодных условиях, создав давление, в 25 000 раз превышающее земное атмосферное давление, при этом понизив температуру до -123 градусов по Цельсию. Они не ожидали того, что произошло дальше.
«Мы пытались измерить, как добавление соли изменит количество льда, которое мы можем получить, поскольку соль действует как антифриз», — объясняет Журно. «Удивительно, но когда мы оказали давление, мы увидели, что эти кристаллы, которых мы не ожидали, начали расти. Это было очень удачное открытие».
В условиях своего эксперимента исследователи увидели два новых расположения молекул соли и воды. В одном из них на каждые 17 молекул воды приходилось две молекулы соли; в другом на одну молекулу соли приходилось 13 молекул воды. И то, и другое сильно отличается от одной соли и двух вод, наблюдаемых в природе на Земле, и согласуется с водянистыми химическими сигнатурами, наблюдаемыми на ледяных спутниках.
«У него есть структура, которую ждали планетологи», — отметил Журно.
Исследователи говорят, что главным фактором является давление, которое сжимает молекулы и заставляет их искать новые способы сосуществования. Но даже когда давление было сброшено, один из недавно идентифицированных гидратов — тот, что с 17 молекулами воды — оставался стабильным до температуры -50 градусов по Цельсию. Это говорит о том, что его можно найти и здесь, на Земле, возможно, подо льдом Антарктиды.
Будущие исследования должны быть предприняты, чтобы определить, может ли это открытие разрешить тайну ледяной луны.
«Инфракрасные спектры гидрата еще предстоит определить в будущих исследованиях, но его гипергидратированная структура может решить давнюю загадку неопознанной гидратной фазы на поверхности Европы и Ганимеда», — пишут исследователи.
