Eksperter sier at oppdagelsen av superionic is vindicates datamaskinen spådommer, som kan bidra til materiale fysikere craft fremtiden stoffer med skreddersydde egenskaper. Og å finne isen nødvendig lynrask målinger og fine kontroll av temperatur og trykk, og fremme eksperimentelle teknikker. «Alt dette ville ikke ha vært mulig, si, for fem år siden,» sa Christoph Salzmann ved University College London, som oppdaget ices XIII, XIV og XV. «Det vil ha en enorm innvirkning, sikkert.,»
Avhengig av hvem du spør, superionic ice er en annen tillegg til vann er allerede rotete utvalg av avatarer, eller noe som er enda merkeligere. Fordi vannmolekylene bryte fra hverandre, sier fysiker Livia Bove av frankrikes Nasjonale Senter for Vitenskapelig Forskning og Pierre og Marie Curie-Universitetet, det er ikke helt en ny fase av vann. «Det er virkelig en ny tilstand av materie,» sa hun, «noe som er ganske spektakulære.,»
Oppgaver Lagt på Is
Fysikere har vært etter superionic is i mange år — helt siden en primitiv datamaskin simulering ledet av Pierfranco Demontis i 1988 spådd vann ville ta på seg denne merkelige, nesten metall-lignende form hvis du presset den utover kart over kjente is faser.
Under ekstreme trykk og varme, de simuleringer som er foreslått, vann molekyler pause. Med oksygen atomer låst i en kubisk gitter, «den hydrogens nå begynner å hoppe fra én posisjon i krystall til en annen, og hoppe igjen, og hoppe igjen,» sa Millot., Den hopper mellom gitter nettsteder er så rask at hydrogen atomer — som er ionisert, noe som gjør dem i hovedsak positivt ladede protoner — synes å bevege seg som en væske.
Dette foreslått superionic isen ville lede strøm, som et metall, med hydrogens å spille den vanlige rolle av elektroner. Å ha disse løst hydrogen atomer som spruter rundt ville også øke isen er lidelse, eller entropi. I sin tur, at økning i entropi ville lage denne isen mye mer stabil enn andre typer av iskrystaller, noe som fører dens smeltepunkt å sveve oppover.,
Men alt dette var lett å forestille seg og vanskelig å stole på. De første modellene som er brukt forenklet fysikk, hånd-vinking deres vei gjennom quantum natur ekte molekyler. Senere simuleringer brettet i mer quantum effekter, men fortsatt sidestepped den faktiske ligninger nødvendig for å beskrive flere quantum organer samspill, som er for beregninger vanskelig å løse. I stedet, de lettelse opp på tilnærming, å øke muligheten for at hele scenariet kan være bare en luftspeiling i en simulering., Eksperimenter, i mellomtiden, kunne ikke gjøre det nødvendige presset, uten også å generere nok varme til å smelte selv dette hardy stoff.
Som problem simmered, skjønt, planetarisk forskere utviklet sin egen snikende mistanke om at vann kan ha en superionic is fase. Akkurat rundt den tiden da den første fasen ble spådd sonden Voyager 2 hadde seilt inn i det ytre solsystemet, avdekke noe merkelig om de magnetiske feltene i isen giants Uranus og Neptun.,
feltene rundt solsystemet andre planeter ser ut til å være laget av sterkt definert nord-og sydpolen, uten mye annen struktur. Det er nesten som om de nettopp har bar magneter i sine sentre, på linje med sin rotasjon akser. Planetary forskere kritt dette opp til «dynamoer»: indre regioner hvor ledende væske stige og swirl som planeten roterer, spirende enorme magnetiske felt.
i motsetning til de magnetiske feltene som kommer fra Uranus og Neptun så lumpier og mer komplekse, med flere enn to polene., Også de som ikke går så nært opp til deres planets’ rotasjon. En måte å produsere dette ville være å liksom begrense gjennomføre væske ansvarlig for dynamo i bare et tynt ytre skall av planeten, i stedet for å la det komme ned i kjernen.
Men tanken om at disse planetene kan ha solid kjerner, som er ute av stand til å generere dynamoer, ikke synes realistisk. Hvis du boret i disse is giants, du ville forvente å først møter et lag av ioniske vann, noe som ville komme, gjennomføre strømninger og delta i en dynamo., Naivt, det virker som enda dypere materiale, til enda varmere temperaturer, ville også være en væske. «Jeg pleide å alltid lage vitser at det er ingen vei interiør av Uranus og Neptun er faktisk en solid,» sa Sabine Stanley ved Johns Hopkins University. «Men nå viser det seg at de faktisk kunne være.»
Is på Spreng
Nå, endelig, Coppari, Millot og deres team har brakt brikkene sammen.
I et tidligere eksperiment, publisert i februar, den fysikere bygget indirekte bevis for superionic is., De presset en dråpe av rom-temperatur vann mellom de spisse endene av to cut diamanter. Etter den tid press økt til om en gigapascal, omtrent 10 ganger på bunnen av Marianas Grøft, vannet hadde forvandlet til en tetragonal crystal kalt is VI. Med om lag 2 gigapascals, det hadde slått inn is VII, et tettere, kubisk form er usynlige for det blotte øye at forskere har nylig oppdaget også finnes i små lommer på innsiden naturlige diamanter.,
Så, ved hjelp av OMEGA-laser på Laboratoriet for Laser Energetics, Millot og kolleger målrettet is VII, fortsatt mellom diamond anvils. Som laseren treffer overflaten av diamant, det fordampet materiale oppover, effektivt rocketing diamant bort i motsatt retning og sender en sjokkbølge gjennom isen. Millot team funnet sin super-skal beskyttes isen smeltet på rundt 4700 grader Celsius, omtrent som forventet for superionic is, og at det gjorde elektrisitet takk til bevegelse av ladede protoner.,
Med de spådommer om superionic isen er bulk egenskaper slo seg ned, ny studie ledet av Coppari og Millot tok neste steg i å bekrefte sin struktur. «Hvis du virkelig ønsker å bevise at noe er krystallinske, så du trenger røntgen-diffraksjon,» Salzmann sa.
Deres nye eksperiment hoppet over ices VI og VII helt. I stedet laget rett og slett knust vann med laser sprenger mellom diamond anvils., Billionths av et sekund senere, som sjokkbølger rippled gjennom, og vannet begynte størkner i nanometer-størrelse isbiter, forskere brukt 16 mer laserstråler til å fordampe en tynn snev av jern ved prøven. Den resulterende varmt plasma oversvømmet størkner vann med X-stråler, som deretter diffracted fra is-krystaller, slik at teamet til å skjelne deres struktur.
Atomer i vannet hadde omorganisert til den lenge spådd, men aldri-før-sett arkitektur, Is XVIII: en kubisk gitter med oksygen-atomer i hvert hjørne og i midten av hvert ansikt., «Det er ganske et gjennombrudd,» Coppari sa.
«Det faktum at eksistensen av denne fasen er ikke en konsekvens av quantum molekylær dynamiske simuleringer, men er virkelige — det er veldig betryggende,» Bove sa.
Og denne type vellykket cross-check bak simuleringer og ekte superionic is antyder den ultimate «drøm» av materiale fysikk forskere kan være snart innen rekkevidde., «Du fortelle meg hvilke egenskaper du ønsker i et materiale, og vi vil gå til maskinen og finne ut teoretisk hva materiale og hva slags krystallstruktur du ville nød,» sa Raymond Jeanloz, medlem av discovery team basert på University of California, Berkeley. «Samfunnet er å komme nærmere.»
Den nye analyser også hint om at selv om superionic is ikke foreta noen elektrisitet, det er en mushy solid. Det ville flyte over tid, men ikke virkelig churn., Inne i Uranus og Neptun, da, væske lag kan stoppe ca 8000 kilometer ned i planet, hvor en enorm kappe av svak, superionic is som Millot team produsert begynner. Som ville begrense de fleste dynamo handling til grunnere dyp, accounting for the planets’ uvanlig felt.
Andre planeter og måner i solsystemet sannsynligvis ikke vert rett interiør søte spots av temperatur og trykk for å tillate superionic is. Men mange is gigantisk størrelse eksoplaneter kan, noe som tyder på at stoffet kan være felles på innsiden isete verdener gjennom galaksen.,
selvfølgelig, men ingen reelle planet inneholder bare vann. Isen gigantene i vårt solsystem også blande i kjemiske arter som metan og ammoniakk. I hvilken grad superionic atferd faktisk skjer i naturen er «kommer til å avhenge av om disse fasene fortsatt eksisterer når vi blander vann med andre materialer,» Stanley sa. Så langt, er ikke klart, selv om andre forskere har hevdet superionic ammoniakk bør også finnes.,
Bortsett fra å utvide sin forskning til andre materialer, teamet har også håp om å holde sikte deg inn på den merkelige, nesten paradoksalt dualitet av deres superionic krystaller. Bare å ta gitter av oksygen atomer «er helt klart den mest utfordrende eksperiment som jeg har gjort,» sa Millot. De har ennå ikke sett den spøkelsesaktige, interstitial strøm av protoner gjennom gitteret. «Teknologisk, vi er ikke der ennå,» Coppari sa, «men feltet er raskt voksende.”