Ученые предсказали невиданную молекулу в недрах Урана и Нептуна, которая влияет на магнитное поле планет
Исследователи из Сколтеха и их китайские коллеги определили, что предсказанный ранее экзотический молекулярный ион акводий (aquodiium) должен быть стабилен в условиях недр Урана и Нептуна. Эту необычную частицу можно представить себе как молекулу воды, к которой прицепились два «лишних» протона, что дает ей двойной положительный заряд. Если акводий действительно присутствует внутри ледяных гигантов, то он участвует в формировании их необычных по сравнению с другими планетами магнитных полей.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review B. Магнитные поля Урана и Нептуна до сих пор вызывают у ученых куда больше вопросов, чем поля Юпитера, Сатурна и Земли. Источник магнетизма в недрах нашей планеты — циркуляция жидкого электропроводящего железоникелевого сплава. Считается, что подобным образом поля Юпитера и Сатурна порождает циркулирующий на большой глубине водород, который при столь высоких давлениях и температурах переходит в металлическое состояние и тоже обладает электронной проводимостью.
Предполагается, что магнитные поля Урана и Нептуна вызваны циркуляцией вещества, для которого характерна не электронная, а ионная проводимость. Иными словами, не электроны, а электрически заряженные атомы или молекулы — то есть ионы — сами направленно движутся и тем самым переносят электрический заряд. Какие именно ионы и в каком соотношении циркулируют в недрах ледяных гигантов — пока неясно. И здесь может крыться часть разгадки того, почему их магнитные поля так необычны: сильно отклонены от осей вращения этих планет и исходят не из их центров.
Один из авторов посвященного акводию исследования, профессор Сколтеха Артем Оганов, поясняет различие между двумя типами проводимости — и причем тут новый ион: «В условиях, которые существуют в недрах Юпитера, водород становится жидким металлом, его электропроводность обусловлена наличием свободных электронов, которые все атомы водорода сбрасывают „в общий котел“ при столь сильном сжатии. А в Уране, как мы предполагаем, сами ионы водорода, то есть протоны, переносят заряд. При этом совершенно не обязательно в форме свободных ионов H+, а, например, в виде гидроксония H3O+, аммония NH4+ и ряда других ионов. Наше исследование дополняет этот ряд ионом H4O2+, химия которого представляет большой интерес».
Гибридизациями в химии называют стандартные варианты совмещения двух и более электронных орбиталей атома, на основании которых можно получить своего рода шаблоны молекул и молекулярных ионов с участием этого атома. Один из таких шаблонов имеет форму правильного тетраэдра, в центре которого располагается атом с так называемой sp3-гибридизацией — например, углерод, азот или кислород. А в каждой из четырех вершин — либо валентный электрон, либо целая электронная пара, которая самодостаточна и не участвует в формировании нормальных (ковалентных) связей с другими атомами. Простейший пример — атом углерода с четырьмя валентными электронами по вершинам тетраэдра. Если добавить четыре атома водорода, получится молекула метана CH4.
У кислорода на внешней электронной оболочке уже есть две укомплектованные электронные пары в добавок к двум одиночным валентным электронам, поэтому «шаблон» sp3-гибридизации реализуется так: две вершины тетраэдра заняты электронными парами, а в оставшихся двух валентные электроны могут образовать связи с атомами водорода — получится молекула воды H2O. Если к одной из «родных» электронных пар кислорода присоединить протон, то есть лишенный собственного электрона атом водорода, то получится ион гидроксония H3O+ — кстати, именно его концентрацией в действительности определяется водородный показатель (известный как pH) водных растворов, ведь выделяемые кислотами в раствор протоны тут же присоединяются к молекулам воды.
«Вопрос был в том, можно ли к гидроксонию присоединить еще один протон и получить недостающее звено в этой цепи? В нормальных условиях такая конфигурация чрезвычайно невыгодна с энергетической точки зрения, но наши расчеты говорят, что она реализуется при выполнении двух условий, — рассказывает профессор Сяо Дун из Нанькайского университета (Китай), идея которого легла в основу работы. — Во-первых, нужно высокое давление, которое вынуждает вещество уменьшить свой объем, и тут разделить неиспользованную электронную пару кислорода с еще одним ионом водорода — хороший выход. Получается как бы третья ковалентная связь с водородом, только оба электрона в ней — от кислорода. И второе условие: нужно много свободных протонов, то есть сильнокислая среда».
Авторы опубликованного в Physical Review B исследования использовали самые современные методы моделирования, чтобы понять, как вода и плавиковая кислота поведут себя в экстремальных условиях. При давлении порядка 1,5 млн атмосфер и температуре 3 тыс. градусов Цельсия в симуляции стали четко различимы ионы акводия H4O2+.
Ученые считают, что открытый таким образом новый ион может влиять на поведение и свойства водных сред, в частности кислых сред под большим давлением. Условия, о которых идет речь, примерно соответствуют тому, чего можно было бы ожидать от Урана и Нептуна, где немыслимая толща водного океана оказывает колоссальное давление на глубинные слои вещества и присутствие кислот тоже возможно. А значит, должен образовываться акводий, который будет циркулировать вместе с другими ионами и делать свой вклад в магнитные поля этих планет. Быть может, он даже участвует в формировании неизвестных нам земных минералов, устойчивых в экстремальных условиях. Освещенное в пресс-релизе исследование поддержано грантом Российского научного фонда.
Telegram 
Дзен 
VK Физикам долго не удавалось применить фазовый контраст в электронной микроскопии. Оказалось, что нужно было прекратить искать подходящее вещество для фазовой пластины и обратить внимание на лазеры.
Сам факт того, что после распада Западной Римской империи возникали новые государства, историкам известен давно. Нет сомнений в существовании королевств готов, франков, лангобардов и других постримских политических образований. Авторы нового исследования сосредоточились на более сложном вопросе. Они попытались выяснить, как именно происходило формирование таких обществ на уровне отдельных людей, семей и общин. Впервые благодаря сочетанию генетических и археологических данных исследователи смогли реконструировать развитие одного постримского политического общества, которое располагалось на территории Паннонии.
Ученые с высокой точностью измерили ключевые параметры нейтринных осцилляций — угол смешивания θ₁₂ и разность квадратов масс нейтрино. Результаты верифицировали несколькими методами.
Старший преподаватель кафедры физики и технической механики РТУ МИРЭА Николай Зенченко проанализировал принципы работы одежды с маркировкой UPF — технологии, которая блокирует до 98% ультрафиолетового излучения. В отличие от солнцезащитного крема, такая защита не смывается водой и действует весь день, но при этом требует правильного выбора материала. Эксперт развеял популярные мифы: почему мокрая хлопковая футболка не спасает от ожогов, можно ли загореть в UPF-купальнике и зачем горнолыжной куртке защита от солнца.
Американские биотехнологи впервые сообщили об обращении вспять клеточного старения в живых клетках печени человека — не мышиных, не синтетических, а именно человеческих. На волне этого результата компания привлекла 435 миллионов долларов и готовится к клиническим испытаниям.
Недавняя модификация ускорителя частиц позволила провести измерения, о которых теоретики рассуждали более 50 лет.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно