Внутри Урана и Нептуна может скрываться диковинная молекула, влияющая на их магнитные поля.

Ученые Сколтеха и их китайские коллеги определили условия, которые делают возможным существование весьма своеобразного иона. Названный аквадиамином, он может быть представлен как обычная нейтральная молекула воды с двумя дополнительными протонами, присоединенными к ней, в результате чего образуется двойной положительный заряд.

Команда предполагает, что этот ион может быть стабильным внутри ледяных гигантов Урана и Нептуна, и если это так, то он должен играть роль в механизме, который генерирует необычные магнитные поля этих планет. Исследование опубликовано в Physical Review B.

Странный магнетизм

Магнитные поля Урана и Нептуна изучены не так хорошо, как Юпитера и Сатурна, или, если уж на то пошло, нашей собственной планеты.

В недрах Земли циркуляция электропроводящего жидкого железо-никелевого сплава порождает магнетизм. Считается, что глубоко внутри Юпитера и Сатурна водород сжимается до металлического состояния и генерирует магнитные поля таким же образом.

В отличие от этого, магнитные поля Урана и Нептуна, как полагают, возникают в результате циркуляции ионно-проводящей среды, где входящие в состав ионы сами являются носителями заряда, а не просто поддерживающей структурой, обеспечивающей поток электронов.

Если бы планетологи точно знали, какие ионы и в каких пропорциях в них участвуют, возможно, они смогли бы понять, почему магнитосферы ледяных гигантов столь причудливы: они не совпадают с направлением вращения планет и смещены относительно их физических центров.

Профессор Сколтеха Артем Оганов, соавтор работы, объясняет, чем отличаются ионная и электронная проводимости и какое место в этом занимает недавно предсказанный ион: «Водород, окружающий скалистое ядро Юпитера, в таких условиях представляет собой жидкий металл: он может течь, как течет расплавленное железо в недрах Земли, а его электропроводность обусловлена свободными электронами, общими для всех атомов водорода, сжатых вместе.

«На Уране, как мы полагаем, сами ионы водорода, то есть протоны, являются свободными носителями заряда. Не обязательно в виде отдельных ионов H⁺, но, возможно, в виде гидроксония H₃O⁺аммония NH₄⁺, а также ряда других ионов. Наше исследование добавляет еще одну возможность: ион H₄O²⁺, который чрезвычайно интересен с химической точки зрения».

Недостающее звено

В химии существует понятие sp.³ гибридизации, которое обозначает способ соединения электронных орбиталей и представляет собой своего рода естественный шаблон для создания возможных молекул и ионов. При sp³ гибридизации ядро атома — например, углерода, азота или кислорода — занимает центральную точку воображаемого тетраэдра.

Каждая из четырех вершин содержит либо валентный электрон, либо два спаренных электрона, которые недоступны для образования связей с другими атомами. Простейший пример — атом углерода с четырьмя неспаренными электронами в четырех вершинах. Добавьте четыре атома водорода, и вы получите молекулу метана: CH.₄.

Для атома кислорода, который имеет две собственные электронные пары во внешней оболочке, а также два валентных электрона, гибридизация sp³ означает, что только две вершины могут содержать ковалентную связь с водородом, а оставшиеся две заняты электронными парами, что дает H₂O, воду.

Если к одной из электронных пар присоединить ион водорода (протон), получится ион гидроксония H.₃O⁺, и именно его вы получите в растворе кислоты, потому что кислоты отдают протоны H⁺ в раствор, а одинокие протоны немедленно притягиваются к электронным парам.

Давление и кислота

«Но вопрос заключался в том, можно ли добавить еще один протон к иону гидроксония, чтобы заполнить недостающий фрагмент? В обычных условиях такая конфигурация энергетически очень невыгодна, но наши расчеты показывают, что есть две вещи, которые могут это сделать», — говорит профессор Сяо Донг из китайского университета Нанкай, чья оригинальная идея легла в основу исследования.

«Во-первых, очень высокое давление заставляет вещество уменьшать свой объем, а обмен ранее неиспользованной электронной парой кислорода с ионом водорода (протоном) — отличный способ сделать это: как ковалентная связь с водородом, только оба электрона в этой паре приходят от кислорода. Во-вторых, вам нужно много свободных протонов, а это означает кислую среду, потому что именно это и делают кислоты — они отдают протоны».

Команда использовала передовые вычислительные инструменты, чтобы предсказать, что происходит с фтористоводородной кислотой и водой в экстремальных условиях. Результат: при давлении около 1,5 миллиона атмосфер и температуре около 3 000 градусов Цельсия ионы аквадия H.₄O²⁺ оказываются хорошо разделенными в моделировании.

Ученые считают, что открытый ими ион должен играть важную роль в поведении и свойствах водных сред, особенно тех, которые находятся под давлением и содержат кислоту.

Это примерно соответствует условиям на Уране и Нептуне, где чрезвычайно глубокие океаны жидкой воды создают чрезвычайно высокое давление, и можно также ожидать наличия некоторого количества кислоты. Если это так, то будут образовываться ионы акводии, которые, участвуя в циркуляции океана, будут вносить свой вклад в магнитные поля и другие свойства этих планет, отличные от других ионов.

Возможно, в таких экстремальных условиях из акваудиума могут образовываться даже пока неизвестные минералы.