Ученые выяснили состав недр Урана и Нептуна

При высоких давлениях в недрах образуются экзотические кристаллические и полимерные соединения, включающие угольную и ортоугольную кислоты (последняя также известна как «кислота Гитлера», т.к. она напоминает свастику по форме).

«Мы выяснили, что при давлении в несколько миллионов атмосфер в их недрах должны формироваться соединения, невозможные в земных условиях. Не исключено, что ядра этих планет могут в значительной степени состоять из этих экзотических веществ», – говорит ведущий автор исследования Артем Оганов, руководитель лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ и профессор Сколтеха, пишет «Вести».

Группой под его был разработан самый универсальный и мощный на сегодня алгоритм предсказывания структуры химических соединений – USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography). В последние годы с его помощью было открыто множество веществ, «запрещенных» классической химией, которые могут быть стабильными при высоких давлениях. Например, несколько ранее неизвестных вариантов соли – Na₃Cl, NaCl₃, NaCl₇ и даже Na₃Cl₂ и Na₄Cl₃. А также - экзотические новые соединения магния, кремния и алюминия, которые могут существовать в недрах суперземель.

Теперь Оганов и его соавтор постдок из Италии Габриэле Салех, который работает в в МФТИ, решили изучить химическое поведение системы углерод-водород-кислород под высоким давлением.

Ученым было известно, что при атмосферном давлении все соединения углерода, водорода и кислорода кроме метана, воды и углекислого газа термодинамически нестабильны. Вода и углекислота при росте давления сохраняют устойчивость, но метан при давлении выше 93 гигапаскалей (0,93 миллиона атмосфер) начинает разлагаться, образуя «тяжелые» углеводороды – этан, бутан и полиэтилен. А при давлении около 4 гигапаскалей метан и молекулярный водород соединяются в так называемые сокристаллы (где два вещества образуют единую кристаллическую решетку), при 6 гигапаскалях возникают гидраты – кристаллы, состоящие из метана и воды. Отмечается, что давление на дне Марианской впадины составляет 108,6 мегапаскаля, что в тысячу раз меньше.

Оганов и Салех предприняли поиск всех стабильных соединений в диапазоне до 400 гигапаскалей (около 4 миллионов атмосфер) и нашли множество новых веществ. В их числе клатрат молекулярного водорода и метана 2CH₄:3H₂, стабильный в диапазоне от 10 до 215 гигапаскалей.

Выяснилось, что при давлении выше 0,95 гигапаскаля (около 10 тысяч атмосфер) становится термодинамически стабильной угольная кислота (H₂CO₃), что необычно для вещества, неустойчивого в обычных условиях, пишут авторы статьи, вышедшей в научном журнале Scientific Reports.

Условия, при которых может возникать угольная кислота, существуют в недрах ледяных спутников планет-гигантов - Юпитера Европы, к примеру. Снаружи они покрыты толстым слоем льда, под ним – океан, окружающий каменное ядро. Вероятно, в океане есть жизнь.

Когда давление возрастает до 44 гигапаскалей, угольная кислота превращается в полимер, который сохраняет устойчивость до давления как минимум в 400 гигапаскалей. При 314 гигапаскалях становится возможной реакция между угольной кислотой и водой с образованием ортоугольной кислоты (H₄CO₄) и выделением тепла. Пока это соединение не удавалось получить в лабораториях из-за его крайней нестабильности.

«Не исключено, что ядра Нептуна и Урана могут содержать значительные количества полимера угольной и ортоугольной кислот», — считает Оганов.