Новые данные о структурных формах твердого метана
Благодаря сочетанию экспериментов при высоком давлении и оптической спектроскопии физики получили новые данные о структурных формах твердого метана. Результаты были опубликованны в журнале Physical Review Letters. Условия в экспериментах достигали температур до 1100 К и давлений до 45 ГПа. В результате проведенного анализа были получены две различные версии диаграммы фазового состояния твердого метана. Первая учитывает кинетические фазовые превращения, которые контролируются изменениями температуры и давления. Вторая описывает равновесные состояния, возникающие, когда образцам позволяют осесть в более стабильные формы в течение нескольких месяцев при сохранении той же температуры и давления.
Рис. Две различные фазовые диаграммы для твердого метана. Источник: Мэннань Ван и др.
Молекулы метана имеют тетраэдрическую структуру, обеспечивающую максимально возможные углы связи между каждым из четырех атомов водорода. В простейшем твердом состоянии эти атомы водорода вращаются вокруг центрального атома углерода, заставляя молекулы вести себя как сферы. Когда метан начинает кристаллизоваться в твердое состояние — либо при температуре −182,5 °C при атмосферном давлении, либо при давлении около 1,3 ГПа при комнатной температуре — он первоначально образует гранецентрированную кубическую структуру, напоминающую стопку апельсинов в овощном магазине. Эксперименты показали, что при еще более экстремальных давлениях эта структура становится все более сложной, демонстрируя, что твердый метан может существовать в девяти возможных формах. Однако до сих пор сохраняются разногласия относительно того, где именно эти различные формы располагаются на фазовой диаграмме метана.
До сих пор эта дискуссия порождала особую неопределенность относительно того, могут ли внутренние слои Урана и Нептуна содержать твердый метан — и если да, то на какой глубине под их поверхностью.
При более высоких давлениях выявились существенные различия в условиях, необходимых для образования каждой фазы, при этом одна фаза вообще не отображалась в кинетической версии диаграммы. По мнению исследовательской группы, эти различия выявляют две ключевые причины. Во-первых, области, в которых различные фазы твердого метана становятся стабильными, сильно зависят от времени из-за медленной кинетики молекулярной перестройки. Во-вторых, молекулы метана очень чувствительны к свету и могут разлагаться под воздействием интенсивных спектроскопических лучей, используемых для их измерения.
