Eksperter siger, at opdagelsen af superionic is sejr computer forudsigelser, og som kunne hjælpe med materiale fysikere håndværk fremtiden stoffer med skræddersyede egenskaber. Og at finde isen krævede ultrahurtige målinger og fin styring af temperatur og tryk, hvilket fremmer eksperimentelle teknikker. “Alt dette ville ikke have været muligt, sige, at for fem år siden,” sagde Christoph Salzmann ved University College London, der opdagede ices-XIII, XIV og XV. “Det vil have en enorm betydning, for sikker.,”
afhængigt af hvem du spørger, er superionic ice enten en anden tilføjelse til vandets allerede rodede vifte af avatarer eller noget endnu fremmed. Fordi dens vandmolekyler bryder fra hinanden, sagde fysikeren Livia Bove fra Frankrigs nationale Center for videnskabelig forskning og Pierre og Marie Curie University, er det ikke helt en ny fase af vand. “Det er virkelig en ny tilstand af materie, “sagde hun,” hvilket er temmelig spektakulært.,”
puslespil på is
fysikere har været efter superionisk is i årevis — lige siden en primitiv computersimulering ledet af Pierfranco Demontis i 1988 forudsagde, at vand ville påtage sig denne mærkelige, næsten metallignende form, hvis du skubbede den ud over kortet over kendte isfaser.
under ekstremt tryk og varme, de foreslåede simuleringer, bryder vandmolekyler. Med iltatomerne låst i et kubisk gitter, ” begynder hydrogenerne nu at hoppe fra en position i krystallen til en anden, og hoppe igen og hoppe igen,” sagde Millot., Hoppene mellem gittersteder er så hurtige, at hydrogenatomerne — som ioniseres, hvilket gør dem i det væsentlige positivt ladede protoner — ser ud til at bevæge sig som en væske.
dette antydede, at superionisk is ville lede elektricitet, som et metal, med hydrogenerne, der spiller den sædvanlige rolle som elektroner. At have disse løse brintatomer, der gyser rundt, ville også øge isens lidelse eller entropi. Til gengæld ville denne stigning i entropi gøre denne Is meget mere stabil end andre slags iskrystaller, hvilket får smeltepunktet til at svæve opad.,
men alt dette var let at forestille sig og svært at stole på. De første modeller brugte forenklet fysik, hånd-vinke deres vej gennem kvante karakter af virkelige molekyler. Senere simuleringer foldet i flere kvanteeffekter, men undgik stadig de faktiske ligninger, der kræves for at beskrive flere kvantelegemer, der interagerer, som er for beregningsmæssigt vanskelige at løse. I stedet var de afhængige af tilnærmelser, hvilket øgede muligheden for, at hele scenariet kun kunne være et mirage i en simulering., Eksperimenter kunne i mellemtiden ikke gøre det nødvendige tryk uden også at generere nok varme til at smelte selv dette hårdføre stof.
da problemet simrede, udviklede planetariske forskere deres egne snigende mistanker om, at vand kan have en superionisk isfase. Lige omkring det tidspunkt, hvor fasen først blev forudsagt, havde sonden Voyager 2 sejlet ind i det ydre solsystem og afsløret noget mærkeligt ved magnetfelterne i isgiganterne Uranus og Neptunus.,
felterne omkring solsystemets andre planeter synes at bestå af stærkt definerede Nord-og sydpoler uden meget anden struktur. Det er næsten som om de bare har barmagneter i deres centre, justeret med deres rotationsakser. Planetariske forskere kridt dette op til “dynamos”: indvendige regioner, hvor ledende væsker stiger og hvirvler, når planeten roterer, spirer massive magnetfelter.
derimod så de magnetiske felter, der stammer fra Uranus og Neptun, klumpere og mere komplekse med mere end to poler., De tilpasser sig heller ikke så tæt på deres planets rotation. En måde at fremstille dette på ville være på en eller anden måde at begrænse den ledende væske, der er ansvarlig for dynamoen, til bare en tynd ydre skal af planeten, i stedet for at lade den nå ned i kernen.men ideen om, at disse planeter kan have faste kerner, som ikke er i stand til at generere dynamoer, syntes ikke realistisk. Hvis du borede ind i disse isgiganter, ville du forvente at først støde på et lag ionisk vand, som ville strømme, lede strømme og deltage i en dynamo., Naivt ser det ud til, at endnu dybere materiale ved endnu varmere temperaturer også ville være en væske. “Jeg plejede altid at lave vittigheder om, at interiøret i Uranus og Neptun faktisk er solidt,” sagde Sabine Stanley ved Johns Hopkins University. “Men nu viser det sig, at de faktisk kan være.”
Ice on Blast
nu har Coppari, Millot og deres team bragt puslespilsbrikkerne sammen.
i et tidligere eksperiment, der blev offentliggjort i februar sidste år, byggede fysikerne indirekte bevis for superionisk is., De pressede en dråbe rumtemperaturvand mellem de spidse ender af to skårne diamanter. Ved den tid, trykket hæves til omkring en gigapascal, cirka 10 gange, at der på bunden af Marianas Trench, vandet var omdannet til en tetragonal crystal såkaldte is-VI. Ved omkring 2 gigapascals, det havde skiftet til is VII, en tættere, kubisk form, som gennemsigtig for det blotte øje, at forskere for nylig opdaget, også findes i små lommer i naturlige diamanter.,
Ved hjælp af omega-laseren på laboratoriet til Laser Energetik målrettede Millot og kolleger ice VII, stadig mellem diamantanvils. Da laseren ramte overfladen af diamanten, fordampede den materiale opad, hvilket effektivt rakede diamanten væk i den modsatte retning og sendte en stødbølge gennem isen. Millots team fandt, at deres supertryksis smeltede ved omkring 4.700 grader Celsius, omtrent som forventet for superionisk is, og at den ledede elektricitet takket være bevægelsen af ladede protoner.,
med disse forudsigelser om superionic ICE ‘ s bulkegenskaber afgjort, tog den nye undersøgelse ledet af Coppari og Millot det næste skridt med at bekræfte sin struktur. “Hvis du virkelig ønsker at bevise, at noget er krystallinsk, så har du brug for røntgendiffraktion,” sagde Sal .mann.
deres nye eksperiment sprang over ices vi og VII helt. I stedet smadrede holdet simpelthen vand med laserblaster mellem diamantanvils., Milliarddele af et sekund senere, da chokbølger krusede igennem, og vandet begyndte at krystallisere til isterninger i nanometer, brugte forskerne 16 flere laserstråler til at fordampe en tynd skive jern ved siden af prøven. Det resulterende varme plasma oversvømmede det krystalliserende vand med røntgenstråler, som derefter diffraherede fra iskrystallerne, hvilket gjorde det muligt for holdet at skelne deres struktur.
atomer i vandet havde omarrangeret sig i den længe forudsagte, men aldrig før set arkitektur, Isviviii: et kubisk gitter med iltatomer i hvert hjørne og midten af hvert ansigt., “Det er et ganske gennembrud,” sagde Coppari.
“det faktum, at eksistensen af denne fase ikke er en artefakt af kvantemolekylære dynamiske simuleringer, men er reel — det er meget trøstende,” sagde Bove.
og denne form for vellykket krydskontrol bag simuleringer og ægte superionisk is antyder, at den ultimative “drøm” af materialefysikforskere måske snart er inden for rækkevidde., “Du fortæller mig, hvilke egenskaber du vil have i et materiale, og vi går til computeren og finder ud af teoretisk, hvilket materiale og hvilken slags krystalstruktur du har brug for,” sagde Raymond Jeanlo., et medlem af discovery-teamet, der er baseret på University of California, Berkeley. “Samfundet som helhed kommer tæt på.”
de nye analyser antyder også, at selvom superionisk is udfører noget elektricitet, er det et grødet fast stof. Det ville flyde over tid, men ikke rigtig churn., Inde i Uranus og Neptun kan væskelag muligvis stoppe omkring 8.000 kilometer ned i planeten, hvor en enorm mantel af træg, superionisk is som Millots producerede team begynder. Det ville begrænse de fleste dynamo-handlinger til lavere dybder, der tegner sig for planeternes usædvanlige felter.
andre planeter og måner i solsystemet er sandsynligvis ikke vært for de rigtige indre søde pletter af temperatur og tryk for at give mulighed for superionisk is. Men mange Ice giant-si .ed e .oplaneter kan muligvis, hvilket tyder på, at stoffet kunne være almindeligt i iskolde verdener i hele galaksen.,
selvfølgelig indeholder ingen rigtig planet bare vand. Isgiganterne i vores solsystem blander også kemiske arter som metan og ammoniak. I hvilket omfang superionisk adfærd faktisk forekommer i naturen, vil “afhænge af, om disse faser stadig eksisterer, når vi blander vand med andre materialer,” sagde Stanley. Indtil videre er det ikke klart, selv om andre forskere har hævdet, at superionisk ammoniak også skulle eksistere.,bortset fra at udvide deres forskning til andre materialer, håber teamet også at fortsætte med at nulstille den mærkelige, næsten paradoksale dualitet af deres superioniske krystaller. Bare at fange gitteret af iltatomer ” er helt klart det mest udfordrende eksperiment, jeg nogensinde har gjort,” sagde Millot. De har endnu ikke set den spøgelsesagtige, interstitielle strøm af protoner gennem gitteret. “Teknologisk er vi ikke der endnu,” sagde Coppari, “men feltet vokser meget hurtigt.”