Недра Нептуна и Урана могут состоять из экзотической угольной кислоты, выяснили химики

Химики из МФТИ и Сколтеха с помощью компьютерного моделирования выяснили, из каких веществ могут состоять недра Урана, Нептуна и ледяных спутников планет-гигантов. Оказалось, что при высоких давлениях, характерных для их недр, образуются экзотические кристаллические и полимерные соединения, включающие угольную и ортоугольную  кислоты, известную также как «кислота Гитлера». Результаты исследования опубликованы в престижном журнале Scientific Reports.

«Газовые гиганты «среднего класса» – Уран и Нептун – в основном состоят именно из углерода, водорода и кислорода. 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 Артём Оганов, руководительлаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ и профессор Сколтеха.  

Группа под руководством Оганова разработала самый универсальный и мощный на сегодня алгоритм предсказания структуры химических соединений – USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography). С его помощью учёным за последние годы удалось открыть множество веществ, «запрещённых» классической химией, которые могут быть стабильными при высоких давлениях. Это, 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 Габриэле Салех из МФТИ решили изучить химическое поведение системы углерод-водород-кислород под высоким давлением. «Эта задача крайне важна, поскольку вся органическая химия «держится» на этих трех элементах. При этом до сих пор было не вполне ясно, как они себя ведут при экстремальных давлениях и температурах. Кроме того, они играют важнейшую роль в химии планет-гигантов», – отмечает Оганов.

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 тяжёлые углеводороды – этан, бутан и полиэтилен. При менее высоком давлении – около 4 гигапаскалей – метан и молекулярный водород соединяются в так называемые сокристаллы (где два вещества образуют единую кристаллическую решётку), а при 6 гигапаскалях возникают гидраты – кристаллы из метана и воды. Для сравнения, 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 (соединение включения) молекулярного водорода и метана 2CH4:3H2, стабильный от 10 до 215 гигапаскалей.

Кроме того, выяснилось, что при давлении выше 0,95 гигапаскаля (около 10 тысяч атмосфер) становится термодинамически стабильной угольная кислота (H2CO3). Это очень необычно для вещества, которое крайне неустойчиво в обычных условиях – требует для синтеза сильных кислот и сохраняется только в вакууме при очень низких температурах, пишут авторы статьи.

Внутренняя структура спутника Юпитера — Европы

Внутренняя структура Урана

Внутренняя структура Нептуна

Условия, при которых может возникать угольная кислота, существуют в недрах ледяных спутников планет-гигантов, например, внутри спутника Юпитера Европы. Снаружи они покрыты толстым слоем льда, под ним – океан, окружающий каменное ядро. Учёные из многих групп не исключают, что в этом океане может существовать жизнь.

«Раньше считалось, что океан в таких спутниках непосредственно контактирует с каменным ядром и между ними происходит химическая реакция. Наша работа показывает, что ядро может быть «обёрнуто» в слой кристаллизованной угольной кислоты, что сделает невозможной реакцию ядра и водного океана», – отмечает Оганов.

При росте давления до 44 гигапаскалей угольная кислота превращается в полимер, который сохраняет устойчивость до как минимум 400 гигапаскалей. Кроме того, при 314 гигапаскалях становится возможной экзотермическая реакция между угольной кислотой и водой с образованием ортоугольной кислоты (H4CO4). Это соединение пока не удавалось получить в лабораториях из-за его крайней нестабильности. Структура молекулы ортоугольной кислоты напоминает свастику, почему ее в шутку называют «кислотой Гитлера». 

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