Вчені за допомогою моделювання показали існування нових фаз з'єднання води з гелієм. Квантово-механічне моделювання з перших принципів вказало на стабільність твердої речовини при високих тисках і температурі близько 2000 кельвін, а також двох суперіонних станів при більш високих температурах. В одній із суперіонних фаз поводяться подібно до рідини як атоми водню, так і гелію. Одна з цих форм повинна зберігатися при близькому до атмосферного тиску, пишуть автори в журналі.
Суперійний стан - це особлива фаза матерії, яка одночасно виявляє деякі властивості і твердої речовини, і рідини. Класичним прикладом є існуюча при високих тисках і температурах форма звичайної води - суперійний лід, також званий лід ЦК III. У цьому з'єднанні іони водню можуть вільно переміщатися всередині кристалічної решітки, утвореної атомами кисню.
Суперійний стан льоду можна порівняти зі звичайним металом, оскільки він володіє майже такою ж високою провідністю, тільки замість електронів за струм відповідають іони водню. Його існування вперше було теоретично припущено близько 40 років тому, але лише в 1990-х почали з'являтися перші експериментальні підтвердження. Детальна будова кисневої кристалічної решітки цієї речовини була отримана методами рентгенографії зовсім недавно.
Суперійна фаза цікава як для фундаментальної науки, так і з точки зору додатків. Зокрема, висувалися ідеї, що речовина в такому стані знаходиться в надрах крижаних гігантів, таких як Уран і Нептун. Теоретичні оцінки показують, що між кам'яним ядром і зовнішніми оболонками таких об'єктів можуть складатися відповідні умови для утворення суперіонних фаз у сумішах таких речовин, як вода, аміак і метан.
З прикладної точки зору вивчення суперійної криги може сприяти розвитку технологій накопичення хімічної енергії. З хімічної точки зору іони водню і літію схожі, тому суперійна провідність і дифузія водню представляє хорошу модель іонної провідності в акумуляторах.
Фізики з Китаю і Великобританії в новій роботі теоретично досліджують властивості суміші гелію з водою при високих тисках. Мотивацією до такого вибору компонентів є поширеність гелію у Всесвіті, в тому числі у складі планет-гігантів, на кшталт Урану і Нептуна. Незважаючи на положення в таблиці Менделєєва, що гарантує гелію найвищу хімічну інертність, вже відомо досить багато його сполук з іншими елементами, як правило, при дуже високих тисках.
Для пошуку стабільних структур автори використовували підхід з перших принципів, тобто спиралися на фундаментальні фізичні вирази, такі як рівняння Шредінгера, а не на наближені методи. Виявилося, що фаза гідрату гелію HeH2O стабільна в діапазоні тисків від 2 до 8 гігапаскалей (20 - 80 тисяч атмосфер), а He2H2O - при 8 - 92 ГПа. Особлива клатратна форма He (H2O) 2, існування якої вже передбачалося в інших роботах, згідно з результатами моделі повинна бути стабільна навіть при близьких до нормального тиску.
Потім вчені за допомогою методів моделювання молекулярної динаміки досліджували здатність атомів рухатися всередині з'єднання при тисках від 10 до 12 ГПа і температурах від 200 до 2600 кельвінів. Цей підхід дозволив виділити для суперійні фази: у стані SI-I вільно переміщується тільки гелій, а в SI-II до нього приєднуються водень. Перша фаза була виявлена при температурі в 2000 кельвін, а друга - при 2300 кельвін. Вище 2400 кельвін речовина плавиться, і всі складові її атоми починають вільно переміщатися.
Ця поведінка незвичайна, оскільки атоми гелію важчі водню і повинні переходити до вільної дифузії при більш високій температурі. Фізики вирішили детальніше дослідити цей ефект і виявили, що він пояснюється високим ступенем інтенсивності зв'язків між атомами кисню і водню. Водночас зв'язки, які забезпечуються електронами, виявилися слабшими в разі гелію.
Отримана авторами фазова діаграма не передбачає наявності великої кількості суперійного гідрату гелію в надрах Нептуна і Урана, але відповідні умови можуть бути на інших тілах. Також у присутності гелію речовина легше переходить у суперійний стан, ніж чиста вода: згідно з висновками роботи, фаза SI-I може бути стабільна навіть при близькому до норми тиску.
Перші надійні лабораторні свідчення існування суперійної криги були отримані в минулому році. Нещодавно були передбачені утворювані при високих тисках з'єднання гелію з залізом і киснем, які можуть існувати в мантії Землі. Фізичні властивості води залишаються не до кінця вивченими: нещодавно вченим вперше вдалося отримати фазу рідкої води зниженої щільності, а експеримент зі стиснення льоду не підтвердив теорію будови води як суміші двох рідин.