Experts zeggen dat de ontdekking van superionisch ijs computervoorspellingen rechtvaardigt, die materiaalfysici kunnen helpen toekomstige stoffen met op maat gemaakte eigenschappen te maken. En het vinden van het ijs vereiste ultrasnelle metingen en fijne controle van temperatuur en druk, het bevorderen van experimentele technieken. “Dit alles zou bijvoorbeeld vijf jaar geleden niet mogelijk zijn geweest”, zei Christoph Salzmann van het University College London, die ices XIII, XIV en XV ontdekte.,”
afhankelijk van wie je het vraagt, is superionisch ijs of een andere toevoeging aan de al rommelige reeks avatars van water of iets nog vreemders. Omdat de watermoleculen uit elkaar breken, zei de natuurkundige Livia Bove van het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek en Pierre en Marie Curie Universiteit, het is niet helemaal een nieuwe fase van water. “Het is echt een nieuwe staat van de materie,” zei ze, ” die is nogal spectaculair.,”
Puzzles Put on Ice
natuurkundigen zijn al jaren op zoek naar superionisch ijs — sinds een primitieve computersimulatie onder leiding van Pierfranco Demontis in 1988 voorspelde dat water deze vreemde, bijna metaalachtige vorm zou aannemen als je het voorbij de kaart van bekende ijsfasen duwde.
onder extreme druk en hitte breken de voorgestelde simulaties watermoleculen. Met de zuurstofatomen opgesloten in een kubieke rooster, ” de waterstofatomen nu beginnen te springen van de ene positie in het kristal naar de andere, en springen opnieuw, en springen opnieuw,” zei Millot., De sprongen tussen roosterplaatsen zijn zo snel dat de waterstofatomen — die geïoniseerd zijn, waardoor ze in wezen positief geladen protonen — lijken te bewegen als een vloeistof.
dit suggereerde dat superionisch ijs elektriciteit zou geleiden, zoals een metaal, waarbij de waterstof de gebruikelijke rol van elektronen zou spelen. Het hebben van deze losse waterstofatomen die rondspringen zou ook de stoornis van het ijs, of entropie stimuleren. Die toename van de entropie zou dit ijs veel stabieler maken dan andere soorten ijskristallen, waardoor het smeltpunt omhoog stijgt.,
maar dit alles was makkelijk voor te stellen en moeilijk te vertrouwen. De eerste modellen gebruikten vereenvoudigde fysica, hand-zwaaien hun weg door de kwantum natuur van echte moleculen. Latere simulaties gevouwen in meer kwantum effecten, maar nog steeds omzeild de werkelijke vergelijkingen die nodig zijn om meerdere kwantumlichamen interactie te beschrijven, die te rekenkundig moeilijk op te lossen zijn. In plaats daarvan, ze vertrouwden op benaderingen, het verhogen van de mogelijkheid dat het hele scenario zou kunnen zijn gewoon een luchtspiegeling in een simulatie., Experimenten, ondertussen, kon niet de vereiste druk te maken zonder ook het genereren van genoeg warmte om zelfs deze hardy stof smelten.terwijl het probleem simmerde, ontwikkelden planetenwetenschappers hun eigen heimelijke vermoedens dat water een superionische ijsfase zou kunnen hebben. Rond de tijd dat de fase voor het eerst werd voorspeld … was de sonde Voyager 2 het buitenste zonnestelsel binnengevaren … en ontdekte iets vreemds over de magnetische velden van de ijsreuzen Uranus en Neptunus.,
de velden rond de andere planeten van het zonnestelsel lijken te bestaan uit sterk gedefinieerde Noord-en Zuidpool, zonder veel andere structuur. Het is bijna alsof ze alleen staafmagneten in hun midden hebben, uitgelijnd met hun draaiassen. Planetenwetenschappers schrijven dit toe aan “dynamo ‘ s”: inwendige gebieden waar geleidende vloeistoffen stijgen en wervelen terwijl de planeet draait, en enorme magnetische velden ontkiemen.
daarentegen zagen de magnetische velden van Uranus en Neptunus er lumpier en complexer uit, met meer dan twee polen., Ze sluiten ook niet zo nauw aan bij de rotatie van hun planeten. Een manier om dit te produceren zou zijn om de geleidende vloeistof die verantwoordelijk is voor de dynamo op een of andere manier te beperken tot slechts een dunne buitenste schil van de planeet, in plaats van het te laten reiken naar de kern.
maar het idee dat deze planeten misschien vaste kernen hebben, die niet in staat zijn om Dynamo ‘ s te genereren, leek niet realistisch. Als je in deze ijsreuzen boort, zou je verwachten dat je voor het eerst een laag ionisch water tegenkomt, die zou stromen, stromingen zou leiden en zou deelnemen aan een dynamo., Naïef, het lijkt erop dat zelfs dieper materiaal, bij nog hogere temperaturen, ook een vloeistof zou zijn. “Ik maakte altijd grappen dat het interieur van Uranus en Neptunus niet echt solide is,” zei Sabine Stanley aan de Johns Hopkins University. “Maar nu blijkt dat ze dat misschien wel zijn.”
Ice on Blast
nu hebben Coppari, Millot en hun team de puzzelstukjes bij elkaar gebracht.
in een eerder experiment, gepubliceerd in Februari, bouwden de natuurkundigen indirect bewijs voor superionisch ijs., Ze drupten een druppel water op kamertemperatuur tussen de puntige uiteinden van twee geslepen diamanten. Tegen de tijd dat de druk steeg tot ongeveer een gigapascal, ongeveer 10 keer dat op de bodem van de Marianentrog, was het water getransformeerd in een tetragonaal kristal genaamd ice VI. door ongeveer 2 gigapascal, was het overgestapt naar ice VII, een dichtere, kubieke vorm transparant met het blote oog dat wetenschappers onlangs ontdekten ook bestaat in kleine zakjes in natuurlijke diamanten.,
vervolgens, met behulp van de Omega laser in het laboratorium voor Laser-energetica, richtten Millot en collega ‘ s zich op de ice VII, nog steeds tussen diamanten aambeelden. Toen de laser het oppervlak van de diamant raakte, verdampte het materiaal naar boven, waardoor de diamant in tegengestelde richting wegschiet en een schokgolf door het ijs verstuurde. Millot ‘ s team vond dat hun onder druk staande ijs gesmolten was op ongeveer 4.700 graden Celsius, ongeveer zoals verwacht voor superionisch ijs, en dat het elektriciteit geleidt dankzij de beweging van geladen protonen.,met deze voorspellingen over de bulkeigenschappen van superionisch ijs, nam de nieuwe studie onder leiding van Coppari en Millot de volgende stap om de structuur ervan te bevestigen. “Als je echt wilt bewijzen dat iets Kristallijn is, dan heb je röntgendiffractie nodig,” zei Salzmann.
hun nieuwe experiment heeft ices VI en VII totaal overgeslagen. In plaats daarvan sloeg het team gewoon water met laserstralen tussen diamanten aambeelden., Miljardsten van een seconde later, toen schokgolven doorstroomden en het water begon te kristalliseren tot nanometer-grootte ijsblokjes, gebruikten de wetenschappers nog 16 laserstralen om een dun stukje ijzer naast het monster te verdampen. Het resulterende hete plasma overstroomde het kristalliserende water met röntgenstralen, die vervolgens uit de ijskristallen verspreidden, waardoor het team hun structuur kon onderscheiden.
atomen in het water waren herschikt in de lang voorspelde maar nooit eerder geziene architectuur, Ice XVIII: een kubisch rooster met zuurstofatomen op elke hoek en in het midden van elk vlak., “Het is nogal een doorbraak,” Coppari zei.”het feit dat het bestaan van deze fase geen artefact is van kwantummoleculaire dynamische simulaties, maar echt is — dat is erg geruststellend,” zei Bove.
en dit soort succesvolle cross-check achter simulaties en echt superionisch ijs suggereert dat de ultieme “droom” van materiaalfysische onderzoekers binnenkort binnen handbereik zou kunnen zijn., “Je vertelt me welke eigenschappen je wilt in een materiaal, en we gaan naar de computer en erachter te komen theoretisch welk materiaal en wat voor soort kristalstructuur je nodig zou hebben,” zei Raymond Jeanloz, een lid van de discovery team gebaseerd op de Universiteit van Californië, Berkeley. “De gemeenschap komt dichterbij.”
de nieuwe analyses wijzen er ook op dat, hoewel superionisch ijs wel wat elektriciteit geleidt, het een papperige vaste stof is. Het zou in de loop van de tijd stromen, maar niet echt karnen., In Uranus en Neptunus, dan, kunnen vloeibare lagen stoppen ongeveer 8000 kilometer naar beneden in de planeet, waar een enorme mantel van traag, superionisch ijs zoals Millot ‘ s team geproduceerd begint. Dat zou de meeste dynamo-actie beperken tot ondiepere dieptes, rekening houdend met de ongewone velden van de planeten.
andere planeten en manen in het zonnestelsel hebben waarschijnlijk niet de juiste innerlijke zoete vlekken van temperatuur en druk om superionisch ijs mogelijk te maken. Maar veel ijsreusgrote exoplaneten wel, wat suggereert dat de stof veel voorkomt in ijzige werelden in het melkwegstelsel.,
natuurlijk bevat geen echte planeet alleen water. De ijsreuzen in ons zonnestelsel mengen zich ook in chemische soorten zoals methaan en ammoniak. De mate waarin superionisch gedrag daadwerkelijk optreedt in de natuur is “zal afhangen van de vraag of deze fasen nog steeds bestaan wanneer we water mengen met andere materialen,” Stanley zei. Tot nu toe is dat niet duidelijk, hoewel andere onderzoekers hebben aangevoerd dat superionische ammoniak ook zou moeten bestaan.,
naast het uitbreiden van hun onderzoek naar andere materialen, hoopt het team ook te blijven zoeken naar de vreemde, bijna paradoxale dualiteit van hun superionische kristallen. Het vastleggen van het rooster van zuurstofatomen “is duidelijk het meest uitdagende experiment dat ik ooit heb gedaan,” zei Millot. Ze hebben nog niet de spookachtige, interstitiële stroom van protonen door het rooster gezien. “Technologisch gezien zijn we er nog niet,” zei Coppari, ” maar het veld groeit erg snel.”