Znalezienie lodu wymagało ultraszybkich pomiarów i precyzyjnej kontroli temperatury i ciśnienia, rozwijając techniki eksperymentalne. – To wszystko nie byłoby możliwe, powiedzmy, pięć lat temu-powiedział Christoph Salzmann z University College London, który odkrył ices XIII, XIV i XV. – na pewno będzie to miało ogromny wpływ.,”
w zależności od tego, kogo zapytasz, superionic ice jest albo kolejnym dodatkiem do już zatłoczonej tablicy awatarów wody, albo czymś jeszcze dziwniejszym. Ponieważ jej cząsteczki wody rozpadają się-powiedziała fizyk Livia Bove z francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych i Uniwersytetu Pierre ' a i Marii Curie-nie jest to zupełnie nowa faza wody. „To naprawdę nowy stan materii, „powiedziała,” co jest dość spektakularne.,”
zagadki stawiane na lodzie
fizycy od lat polują na superionowy lód — od czasu prymitywnej symulacji komputerowej prowadzonej przez Pierfranco Demontisa w 1988 r.przewidywał, że woda przybędzie na tę dziwną, niemal metalową formę, jeśli zepchniesz ją poza mapę znanych faz lodu.
pod ekstremalnym ciśnieniem i ciepłem, symulacje sugerowały, że cząsteczki wody pękają. Z atomami tlenu zamkniętymi w sześciennej siatce, „hydrogeny zaczynają teraz skakać z jednej pozycji w krysztale do drugiej, i skakać ponownie, i skakać ponownie,” powiedział Millot., Skoki między miejscami sieci są tak szybkie, że atomy wodoru — które są zjonizowane, co czyni je zasadniczo dodatnio naładowanymi protonami – wydają się poruszać jak ciecz.
sugeruje to, że lód nadjojonowy przewodzi elektryczność, jak metal, a hydrogeny odgrywają zwykle rolę elektronów. Posiadanie tych luźnych atomów wodoru tryskających wokół również zwiększyłoby zaburzenie lodu, czyli entropię. Z kolei wzrost entropii uczyniłby ten lód znacznie bardziej stabilnym niż inne rodzaje kryształów lodu, powodując jego topnienie w górę.,
ale to wszystko było łatwe do wyobrażenia i trudno zaufać. Pierwsze modele wykorzystywały uproszczoną fizykę, przedzierając się przez kwantową naturę rzeczywistych cząsteczek. Późniejsze symulacje zawierały więcej efektów kwantowych, ale wciąż pomijały rzeczywiste równania wymagane do opisania oddziałujących ze sobą wielu ciał kwantowych, które są zbyt trudne obliczeniowo do rozwiązania. Zamiast tego opierali się na przybliżeniach, podnosząc możliwość, że cały scenariusz może być tylko mirażem w symulacji., Tymczasem eksperymenty nie mogły osiągnąć wymaganego ciśnienia bez generowania wystarczającej ilości ciepła, aby stopić nawet tę wytrzymałą substancję.
Gdy jednak problem się rozwiał, naukowcy Planetarni rozwinęli własne podejrzenia, że woda może mieć fazę lodową nadjonizowaną. Mniej więcej w czasie, gdy faza została po raz pierwszy przewidziana, sonda Voyager 2 wypłynęła w zewnętrzny układ słoneczny, odkrywając coś dziwnego o polach magnetycznych lodowych olbrzymów Urana i Neptuna.,
pola wokół innych planet Układu Słonecznego wydają się składać z silnie zdefiniowanych biegunów północnych i południowych, bez wielu innych struktur. To prawie tak, jakby mieli tylko magnesy prętowe w swoich centrach, wyrównane z ich osiami obrotowymi. Naukowcy Planetarni przypisują to do „dynamos”: regionów wewnętrznych, w których przewodzące płyny wznoszą się i wirują, gdy planeta obraca się, kiełkując ogromne pola magnetyczne.
natomiast pola magnetyczne emanujące z Urana i Neptuna wyglądały na bardziej złożone i złożone, z więcej niż dwoma biegunami., Nie zbliżają się też tak blisko do obrotu swoich Planet. Jednym ze sposobów, aby to wyprodukować, byłoby w jakiś sposób ograniczyć płyn przewodzący odpowiedzialny za dynamo do cienkiej zewnętrznej powłoki planety, zamiast pozwolić, aby sięgał do jądra.
ale pomysł, że te planety mogą mieć stałe rdzenie, które nie są w stanie generować dynamiki, nie wydawał się realistyczny. Jeśli wwiercisz się w te lodowe olbrzymy, spodziewasz się najpierw napotkać warstwę wody jonowej, która będzie przepływać, przewodzić prądy i uczestniczyć w dynamo., Naiwnie wydaje się, że jeszcze głębszy materiał, w jeszcze gorętszych temperaturach, również byłby płynem. „Zawsze żartowałem, że nie ma mowy, aby wnętrza Urana i Neptuna były rzeczywiście solidne” – powiedziała Sabine Stanley z Uniwersytetu Johns Hopkins. „Ale teraz okazuje się, że mogą być.”
Ice on Blast
teraz, w końcu, Coppari, Millot i ich zespół połączyli elementy układanki.
we wcześniejszym eksperymencie, opublikowanym w lutym ubiegłego roku, fizycy zbudowali pośrednie dowody na istnienie lodu nadjonizowanego., Wcisnęli kroplę wody o temperaturze pokojowej między spiczaste końce dwóch przeciętych diamentów. Do czasu, gdy ciśnienie wzrosło do około gigapaskala, około 10 razy więcej niż na dnie Rowu Mariańskiego, woda przekształciła się w tetragonalny kryształ zwany lodem VI. około 2 gigapaskale przekształciła się w lód VII, gęstszą, sześcienną formę przezroczystą gołym okiem, którą niedawno odkryli naukowcy, również istnieje w małych kieszeniach wewnątrz naturalnych diamentów.,
następnie, używając lasera OMEGA w laboratorium energii laserowej, Millot i współpracownicy celowali w lód VII, wciąż między kowadłami diamentowymi. Gdy laser uderzył w powierzchnię diamentu, odparował materiał w górę, skutecznie odbijając diament w przeciwnym kierunku i wysyłając falę uderzeniową przez lód. Zespół millota odkrył, że ich super-ciśnieniowy lód stopił się w temperaturze około 4700 stopni Celsjusza, mniej więcej tak, jak oczekiwano w przypadku superjonowego lodu, i że przewodził elektryczność dzięki ruchowi naładowanych protonów.,
wraz z tymi przewidywaniami dotyczącymi właściwości masowych lodu nadolbrzego, nowe badania prowadzone przez Coppariego i Millota podjęły kolejny krok potwierdzający jego strukturę. „Jeśli naprawdę chcesz udowodnić, że coś jest krystaliczne, potrzebujesz dyfrakcji rentgenowskiej” -powiedział Salzmann.
ich nowy eksperyment całkowicie ominął ices VI i VII. Zamiast tego drużyna po prostu rozbiła wodę za pomocą laserów między diamentowymi kowadłami., Miliardowe sekundy później, gdy fale uderzeniowe przedzierały się przez i woda zaczęła krystalizować w nanometrowe kostki lodu, naukowcy użyli 16 kolejnych wiązek lasera do odparowania cienkiego kawałka żelaza obok próbki. Powstająca gorąca Plazma zalewała krystalizującą wodę promieniami rentgenowskimi, które następnie dyfrakowały z kryształów lodu, umożliwiając zespołowi rozpoznanie ich struktury.
Atomy w wodzie przekształciły się w długo przewidywaną, ale nigdy wcześniej nie widzianą architekturę, Ice XVIII: sześcienną siatkę z atomami tlenu w każdym rogu i na środku każdej twarzy., „To dość przełom” – powiedział Coppari.
„fakt, że istnienie tej fazy nie jest artefaktem kwantowych symulacji dynamicznych molekularnych, ale jest realny — to bardzo pocieszające”, powiedział Bove.
i ten rodzaj udanej kontroli krzyżowej za symulacjami i prawdziwym lodem superiorowym sugeruje, że ostateczne „marzenie” badaczy fizyki materiałów może być wkrótce w zasięgu ręki., „Powiedz mi, jakie właściwości chcesz w materiale, a my pójdziemy do komputera i dowiemy się teoretycznie, jaki materiał i jakiego rodzaju strukturę krystaliczną potrzebujesz”, powiedział Raymond Jeanloz, członek zespołu discovery z siedzibą na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. „Cała społeczność jest coraz bliżej.”
nowe analizy sugerują również, że chociaż lód superiorowy przewodzi trochę energii elektrycznej, jest to mushy solid. Płyną z czasem, ale nie tak naprawdę odpływają., Wewnątrz Urana i Neptuna, warstwy cieczy mogą zatrzymać się około 8000 kilometrów w dół do planety, gdzie zaczyna się ogromny płaszcz powolnego, superionowego lodu, jak zespół Millota. To ograniczyłoby większość działań dynamo do płytszych głębin, biorąc pod uwagę niezwykłe pola planety.
inne planety i księżyce w Układzie Słonecznym prawdopodobnie nie posiadają odpowiednich wewnętrznych plam temperatury i ciśnienia pozwalających na powstawanie lodu nadolbrzymowego. Ale wiele egzoplanet wielkości lodowych olbrzymów może, co sugeruje, że substancja może być powszechna w lodowych światach w całej galaktyce.,
oczywiście żadna prawdziwa planeta nie zawiera tylko wody. Lodowe olbrzymy w naszym Układzie Słonecznym mieszają się również z gatunkami chemicznymi, takimi jak metan i amoniak. Stopień, w jakim zachowanie superjonizmu rzeczywiście występuje w przyrodzie, „będzie zależeć od tego, czy te fazy nadal istnieją, gdy mieszamy wodę z innymi materiałami”, powiedział Stanley. Do tej pory nie jest to jasne, chociaż inni badacze twierdzili, że amoniak nadjojnikowy powinien również istnieć.,
oprócz rozszerzenia swoich badań na inne materiały, zespół ma również nadzieję, że będzie nadal zerować dziwną, prawie paradoksalną dwoistość ich superionowych kryształów. Samo uchwycenie sieci atomów tlenu „jest najwyraźniej najtrudniejszym eksperymentem, jaki kiedykolwiek zrobiłem”, powiedział Millot. Nie widzieli jeszcze widmowego, śródmiąższowego przepływu protonów przez sieć. „Technologicznie jeszcze nie jesteśmy”, powiedział Coppari, ” ale pole rośnie bardzo szybko.”