Химики из МФТИ и Сколтеха Артем Оганов и Габриэле Салех выяснили, из каких веществ могут состоять недра Урана, Нептуна и ледяных спутников планет-гигантов. Компьютерное моделирование показало, что при высоких давлениях, характерных для их недр, образуются экзотические кристаллические и полимерные соединения, в том числе угольная и ортоугольная кислота, известная также как «кислота Гитлера». Результаты исследования опубликованы в престижном журнале Scientific Reports.
Группа под руководством Артема Оганова разработала самый универсальный и мощный на сегодня алгоритм предсказания структуры химических соединений — USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography). С его помощью ученые исследовали химическое поведение системы углерод-водород-кислород под высоким давлением. Они 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.
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. Ученые 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 “обернуто” 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», — заключает Оганов.
