Глубоко внутри Земли существуют карманы с водой, но жидкость там не такая, как вода на поверхности.
Под воздействием невообразимо высоких температур и давлений вода проявляет всевозможные странные фазы и свойства: от пребывания в жидком состоянии при температурах, в 10 раз превышающих точку кипения, до одновременного существования в жидком и твердом состоянии.
Этот странный мир до сих пор до конца не изучен, но группа ученых из Чикагского университета провела квантовое моделирование, чтобы разработать новую модель поведения воды при экстремально высоких температурах и давлениях. Вычислительные измерения, опубликованные 18 июня в Proceedings of the National Academy of Sciences, должны помочь ученым понять роль воды в составе мантии и, возможно, в других планетах.
«Тонкая физика на молекулярном уровне может влиять на свойства материи глубоко внутри планет», - сказал Виктор Роза, аспирант Калифорнийского университета в Чикаго и первый автор статьи. «То, как вода реагирует и переносит заряд на молекулярном уровне, влияет на наше понимание явлений, начиная от движения магмы, воды и других жидкостей и заканчивая магнитным полем всей планеты».
В условиях, рассмотренных в исследовании, - более чем в 40 раз более жарких, чем наши повседневные условия, и в 100 000 раз превышающих атмосферное давление - вода регулярно разрывается на части и восстанавливает свои собственные химические связи. В результате он может взаимодействовать с другими минералами совершенно иначе, чем на поверхности земли.
Ученые десятилетиями пытались определить, как именно взаимодействуют эти атомы: это чрезвычайно сложно проверить экспериментально, так как вода может вступать в реакцию с самим прибором. «Удивительно, как мало мы знаем о воде под земной корой», - сказала ведущий автор Джулия Галли, профессор молекулярной инженерии семьи Лью и профессор химии в Чикагском университете, а также старший научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории..
Но вода в этих условиях существует по всей мантии - возможно, внутри Земли распределено больше воды, чем в океанах - и ученые хотели бы точно знать, как она ведет себя, чтобы понять ее роль в Земля и то, как она движется сквозь мантию.
Группа Галли построила модель, выполнив квантово-механическое моделирование небольшого набора молекул воды при чрезвычайно высоких давлениях и температурах - в диапазоне, необходимом для синтеза алмаза.
Их модель, построенная с помощью симуляций, проведенных в Исследовательском вычислительном центре в Калифорнийском университете в Чикаго, дает объяснение некоторых из наиболее загадочных свойств воды при таком давлении, таких как связь между причудливо высокой проводимостью и тем, как ее молекулы диссоциируют и заново связать.
Он также предсказывает и анализирует противоречивый набор измерений, называемых колебательными спектроскопическими сигнатурами воды, или отпечатками молекулярного движения, которые показывают, как молекулы взаимодействуют и движутся.
В дополнение к дальнейшему пониманию нашей собственной планеты, по словам Галли, «возможность проводить симуляции, описанные в нашей статье, может иметь важные последствия для моделирования экзопланет». Многие ученые, в том числе из Университета Чикаго, сужают условия поиска далеких планет, на которых могут быть условия для создания жизни, и большая часть этих поисков связана с водой.
Галли является членом исследовательской группы Института молекулярной инженерии, занимающейся водной тематикой, под руководством Джеймса Скиннера, семейного профессора молекулярной инженерии Короны. Команда стремится понять физические, химические и биологические проявления воды и разработать приложения от инновационных фильтров очистки до новых материалов для опреснения и сбора ионов лития, до новых катализаторов для химии и дезинфекции воды..
Хотя вода повсюду и очень важна для нас, по словам Галли, общеизвестно, что ее трудно смоделировать и изучить: «Это один шаг на долгом пути к пониманию».