Odborníci tvrdí, že objev superionic ledu chrání počítač předpovědi, které by mohly pomoci materiál fyziků řemeslo budoucnost látek s míru vlastnosti. A nalezení ledu vyžadovalo ultrarychlé měření a jemné řízení teploty a tlaku, postupující experimentální techniky. „To vše by nebylo možné, řekněme, před pěti lety, „řekl Christoph Salzmann na University College London, který objevil ices XIII, XIV A XV.“ bude to mít určitě obrovský dopad.,“
v závislosti na tom, koho se ptáte, superionický LED je buď dalším přírůstkem do již přeplněné řady avatarů vody, nebo něčeho ještě podivnějšího. Protože se jeho molekuly vody rozpadají, řekla fyzička Livia Bove z francouzského Národního centra pro vědecký výzkum a univerzity Pierra a Marie Curie, není to úplně nová fáze vody. „Je to opravdu nový stav hmoty, „řekla,“ což je spíše velkolepé.,“
Puzzle Dát k Ledu
Fyzici byli po superionic led pro let — od chvíle, kdy primitivní počítačové simulace v čele Pierfranco Demontis v roce 1988 předpověděl, voda by se na tento podivný, téměř kovu-jako forma, pokud jste tlačil to za mapu známo, ledové fáze.
pod extrémním tlakem a teplem se Simulace naznačují, molekuly vody se rozpadají. S atomy kyslíku uzamčenými v krychlové mřížce “ vodíky nyní začínají skákat z jedné pozice v krystalu do druhé a znovu skákat a znovu skákat,“ řekl Millot., Skoky mezi mřížky stránky jsou tak rychlé, že atomy vodíku, které jsou ionizované, což je v podstatě kladně nabité protony — zdá se, pohybovat se jako kapalina.
to naznačovalo, že superionický led by vedl elektřinu, jako kov, s vodíky hrajícími obvyklou roli elektronů. Mít tyto volné atomy vodíku tryskající kolem by také podpořilo poruchu ledu, nebo entropie. Na oplátku, že nárůst entropie by tento led mnohem stabilnější než jiné druhy ledové krystaly, což způsobuje jeho bod tání stoupat vzhůru.,
ale to vše bylo snadné si představit a těžko věřit. První modely používaly zjednodušenou fyziku a ručně mávaly svou cestou kvantovou povahou skutečných molekul. Později simulace složené v kvantové efekty, ale stále vyhnul skutečné rovnice potřebné k popisu kvantové více subjektů interakce, které jsou příliš výpočetně obtížné řešit. Místo toho se spoléhali na aproximace, což zvýšilo možnost, že celý scénář by mohl být jen přelud v simulaci., Experimenty, mezitím, nemohl učinit potřebné tlaky, aniž by také generovat dostatek tepla k roztavení i toto odolné látky.
Jako problém vřelo, i když, vědci vyvinuli své vlastní vkrádá podezření, že voda může mít superionic ledové fáze. Zhruba v době, kdy byla fáze první předpověděl, sonda Voyager 2 se plavil do vnější sluneční soustavy, odhalení zvláštní magnetické pole ledových obrů Uran a Neptun.,
pole kolem ostatních planet sluneční soustavy se zdají být tvořena silně definovanými severními a jižními póly, bez velké jiné struktury. Je to skoro, jako by měli ve svých centrech jen Tyčové magnety, zarovnané s jejich rotačními osami. Planetární vědci křídou to až do „dynama“: interiér regionech, kde vodivé tekutiny vzestup a víření, jak se planeta otáčí, klíčení masivní magnetické pole.
naproti tomu magnetická pole vycházející z Uranu a Neptunu vypadala hrudkovitěji a složitěji, s více než dvěma póly., Také se neřadí tak blízko k rotaci svých planet. Jeden způsob, jak produkovat to by bylo, aby nějakým způsobem omezit vodivou kapalinu zodpovědný za dynamo v jen tenká vnější slupka planety, místo toho, aby ji dostat dolů do jádra.
ale myšlenka, že tyto planety mohou mít pevná jádra, která nejsou schopna generovat Dynama, se nezdála realistická. Pokud jste vyvrtány do těchto ledových obrů, byste očekávat, že první setkání vrstvou iontové vody, která by proud, vedení proudu a podílet se na dynamo., Naivně to vypadá, že ještě hlubší materiál, při ještě teplejších teplotách, by byl také tekutinou. „Vždycky jsem dělal vtipy, že není možné, aby interiéry Uranu a Neptunu byly skutečně pevné,“ řekla Sabine Stanley z Johns Hopkins University. „Ale teď se ukázalo, že by mohli být ve skutečnosti.“
Ice on Blast
nyní konečně Coppari, Millot a jejich tým spojili kousky skládačky.
v dřívějším experimentu, publikovaném loni v únoru, fyzici vytvořili nepřímé důkazy pro superionický LED., Stlačili kapku vody o pokojové teplotě mezi špičatými konci dvou řezaných diamantů. Když tlak zvýšen o gigapascal, zhruba 10 krát, že na dně Mariánského Příkopu, do vody se promění v tetragonal crystal názvem ice VI. Asi o 2 gigapascals, to přešel do ledu VII, hustší, kubické formě transparentní, pouhým okem, že vědci nedávno zjistili, existuje také v malé kapsy uvnitř přírodní diamanty.,
Poté, pomocí OMEGA laser v Laboratoři pro Laser Energetics, Millot a kolegy cílené ledu VII, stále mezi diamantové kovadliny. Jako laser narazí na povrch diamantu, to odpařuje materiál směrem nahoru, účinně raketově diamant pryč v opačném směru a vysílá rázové vlny skrz led. Millot je tým našel své super-led roztál pod tlakem kolem 4,700 stupňů Celsia, o tom, jak se očekávalo pro superionic ledu, a že vést elektřinu díky pohybu nabitých protonů.,
S těmi předpovědi o superionic ice bulk vlastnosti usadil, nová studie vedená Coppari a Millot udělal další krok k potvrzení jeho strukturu. „Pokud opravdu chcete dokázat, že něco je krystalické, pak potřebujete rentgenovou difrakci,“ řekl Salzmann.
jejich nový experiment zcela přeskočil ices VI a VII. Místo toho tým jednoduše rozbil vodu laserovými výbuchy mezi diamantovými kovadlinami., Miliardtin sekundy později, jako rázové vlny čeřil prostřednictvím a voda začala krystalizující do nanometrů-velikost kostek ledu, vědci použili 16 více laserových paprsků k odpařování tenký kousek železa vedle vzorku. Výsledná horká plazma zaplavila krystalizující vodu rentgenovými paprsky, které se pak rozptýlily od ledových krystalů, což týmu umožnilo rozeznat jejich strukturu.
atomy ve vodě se přeskupily do dlouho předpovídané, ale nikdy předtím neviděné architektury, Ice XVIII: krychlová mřížka s atomy kyslíku v každém rohu a ve středu každé tváře., „Je to docela průlom,“ řekl Coppari.
“ skutečnost, že existence této fáze není artefaktem kvantově molekulárně dynamických simulací, ale je skutečná — to je velmi uklidňující,“ řekl Bove.
a tento druh úspěšné křížové kontroly za simulacemi a skutečným superionickým ledem naznačuje, že konečný “ sen “ vědců z hmotné fyziky může být brzy na dosah., „Řekni mi, jaké vlastnosti chcete v materiálu, a půjdeme k počítači a zjistit, teoreticky, jaký materiál a jaký druh krystalové struktury budete potřebovat,“ řekl Raymond Jeanloz, člen týmu discovery založené na University of California, Berkeley. „Komunita na svobodě se blíží.“
nové analýzy také naznačují, že ačkoli superionický LED vede nějakou elektřinu, je to houževnatá pevná látka. To by proudilo v průběhu času, ale ne skutečně chrlit., Uvnitř Uranu a Neptunu by se pak tekuté vrstvy mohly zastavit asi 8000 kilometrů dolů na planetu, kde začíná obrovský plášť pomalého, superionického ledu, jako je millotův tým. To by omezilo většinu akcí Dynama na mělčí hloubky, což by znamenalo neobvyklé pole planet.
jiné planety a Měsíce ve sluneční soustavě pravděpodobně nehostují správné vnitřní sladké skvrny teploty a tlaku, které umožňují superionický LED. Ale mnoho ledových obřích exoplanet by mohlo naznačovat, že látka by mohla být běžná uvnitř ledových světů v celé galaxii.,
samozřejmě, žádná skutečná planeta neobsahuje jen vodu. Ledoví obři v naší sluneční soustavě se také mísí s chemickými druhy, jako je metan a amoniak. Rozsah, v jakém se superionické chování skutečně vyskytuje v přírodě, „bude záviset na tom, zda tyto fáze stále existují, když smícháme vodu s jinými materiály,“ řekl Stanley. Zatím to není jasné, i když jiní vědci tvrdili, že by měl existovat také superionický amoniak.,
Kromě rozšíření jejich výzkum na jiné materiály, tým také doufá, že udrží nulování v na podivný, téměř paradoxní dualitu jejich superionic krystaly. Jen zachycení mřížky atomů kyslíku „je zjevně nejnáročnějším experimentem, jaký jsem kdy udělal,“ řekl Millot. Ještě neviděli strašidelný, intersticiální tok protonů mřížkou. „Technologicky tam ještě nejsme, „řekl Coppari,“ ale pole roste velmi rychle.”