Результаты исследования были изданы в журнале Scientific Reports.«Меньшие газовые гиганты – Уран и Нептун – состоят в основном из углерода, водорода и кислорода. Мы нашли, что при давлении нескольких миллионов атмосфер неожиданные комплексы должны сформироваться в их интерьерах. Ядра этих планет могут в основном состоять из этих экзотических материалов», говорит Глава Лаборатории Вычислительного Открытия Материалов, профессора Артема Р. Оганова.
Команда во главе с профессором Огановым разработала самый универсальный и сильный алгоритм в мире для кристаллической структуры и составного предсказания – USPEX (Универсальный Предсказатель Структуры: Эволюционный Xtallography). В последние годы ученые использовали этот алгоритм, чтобы обнаружить несколько веществ, которые ‘запрещены’ в классической химии, и это может быть стабильно в высоком давлении. Они включают много ранее неизвестных вариантов соли – Na3Cl, NaCl3, NaCl7 и даже Na3Cl2 и Na4Cl3, а также экзотические новые окиси магния, кремния и алюминия, который может существовать в интерьерах суперземель.
Теперь Габриэле Салех (первый автор этого исследования) от MIPT и Оганова решил изучить химическое поведение системы углеродного водородного кислорода под высоким давлением. «Это – чрезвычайно важная система, потому что вся органическая химия ‘опирается на’ эти три элемента, и до сих пор не было совершенно ясно, как они ведут себя под чрезвычайными давлениями и температурами. Кроме того, они играют существенную роль в химии гигантских планет», говорит Оганов.Ученые знали, что под атмосферным давлением все соединения углерода, водорода и кислорода, за исключением метана, воды, и углекислого газа, термодинамически нестабильны. С увеличением давления вода и углекислый газ остаются стабильными, но при давлениях выше 93 gigapascals (0,93 миллиона атмосфер) метан начинает анализировать формирующиеся тяжелые углеводороды – этан, бутан и полиэтилен.
При более низком давлении – приблизительно 4 Гпа – метан и молекулярный водород взаимодействуют, формируя co-кристаллы (где две молекулы вместе создают одну кристаллическую структуру), и на уровне 6 Гпа, гидраты – сформированы CO-кристаллы, сделанные из метана и воды-. Чтобы поместить это в контекст, давление у основания Марианского желоба (океаны самой глубокой части мира) является 108.6 megapascals, который в одну тысячу раз ниже.Оганов и Салех взяли задачу нахождения всех стабильных комплексов в диапазоне до 400 Гпа (приблизительно 4 миллиона атмосфер) и обнаружили несколько новых веществ. Они включали клатрат (комплекс включения, тип co-кристалла) молекулярного водорода и метана 2CH4:3H2, который стабилен в диапазоне давления 10-215 Гпа.
Ученые также нашли, что при давлении выше 0,95 Гпа (приблизительно 10 000 атмосфер), углеродистая кислота (H2CO3) становится термодинамически стабильной. Это очень необычно для вещества, которое очень нестабильно при нормальных условиях – сильные кислоты необходимы для его синтеза, и оно может только существовать в вакууме при очень низких температурах, пишут авторы.У внутренних частей ледяных спутников гигантских планет, такой как на спутнике Юпитера Европа, есть условия, где углеродистая кислота могла сформироваться. На внешней стороне они покрыты толстым слоем льда, и под этим есть океан, окружающий скалистое ядро.
По словам многих ученых, жизнь не может быть исключена в этих океанах.«Ранее считалось, что океаны в этих спутниках находятся в прямом контакте со скалистым ядром, и химическая реакция произошла между ними. Наше исследование показывает, что ядро должно быть ‘обернуто’ в слой кристаллизованной углеродистой кислоты, что означает, что реакция между ядром и океаном была бы невозможна», говорит Оганов.
Когда давление повышается до 44 Гпа, углеродистая кислота преобразована в полимер, который остается стабильным по крайней мере к 400 Гпа. Кроме того, на уровне 314 Гпа экзотермическая реакция между углеродистой кислотой и водой возможна, приводя к orthocarbonic кислоте (H4CO4). Ученые еще не были в состоянии произвести этот комплекс в лабораториях, поскольку это чрезвычайно нестабильно. Молекулярная структура orthocarbonic кислоты напоминает свастику, которая является, почему это иногда упоминается как ‘кислота Гитлера’.
«Возможно, что ядра Нептуна и Урана могут содержать существенное количество полимера углеродистой кислоты и orthocarbonic кислоты», говорит Оганов.