Experții spun că descoperirea superionic gheață reabilita previziunile de calculator, care ar putea ajuta material fizicienii ambarcațiuni viitor substanțe cu proprietăți personalizate. Iar găsirea gheții a necesitat măsurători ultrarapide și un control fin al temperaturii și presiunii, avansând tehnici experimentale. „Toate acestea nu ar fi fost posibile, să zicem, acum cinci ani”, a declarat Christoph Salzmann la University College London, care a descoperit ices XIII, XIV și XV. „va avea un impact imens, cu siguranță.,”
în funcție de cine întrebați, gheața superionică este fie o altă adăugare la avatarele deja aglomerate ale apei, fie ceva chiar mai străin. Deoarece moleculele sale de apă se destramă, a declarat fizicianul Livia Bove de la Centrul Național de cercetare științifică din Franța și Universitatea Pierre și Marie Curie, nu este o nouă fază a apei. „Este într-adevăr o nouă stare a materiei”, a spus ea, „care este destul de spectaculoasă.,”
Puzzle-uri de Pus pe Gheață
Fizicienii au fost după superionic gheață de ani de zile — de când o primitivă simulare pe calculator condus de Pierfranco Demontis în 1988 a prezis apă ar lua de pe acest ciudat, aproape de metal-ca formă daca ai împins-o dincolo de hartă a cunoscut gheață faze.sub presiune extremă și căldură, simulările au sugerat că moleculele de apă se rup. Cu atomi de oxigen blocat într-o rețea cubică, „hidrogeni acum începe să sari de la o poziție în cristal la altul, și să sară din nou, și să sară din nou”, a spus Millot., Salturile dintre locurile de zăbrele sunt atât de rapide încât atomii de hidrogen — care sunt ionizați, făcându — i în esență protoni încărcați pozitiv-par să se miște ca un lichid.această gheață superionică sugerată ar conduce electricitatea, ca un metal, hidrogenii jucând rolul obișnuit al electronilor. Având acești atomi de hidrogen care țâșnesc în jur ar stimula, de asemenea, tulburarea gheții sau entropia. La rândul său, această creștere a entropiei ar face această gheață mult mai stabilă decât alte tipuri de cristale de gheață, determinând punctul său de topire să crească în sus.,dar toate acestea au fost ușor de imaginat și greu de încredere. Primele modele au folosit fizica simplificată, fluturând manual prin natura cuantică a moleculelor reale. Mai târziu simulări pliat în mai multe efecte cuantice, dar încă evitat reale ecuații necesare pentru a descrie mai multe cuantice organisme care interacționează, care sunt prea dificil de calcul pentru a rezolva. În schimb, s-au bazat pe aproximări, ridicând posibilitatea ca întregul scenariu să fie doar un miraj într-o simulare., Între timp, experimentele nu au putut face presiunile necesare fără a genera suficientă căldură pentru a topi chiar și această substanță rezistentă.
Ca problema fiert la foc mic, totuși, oamenii de știință planetară dezvoltat propria lor ascuns suspiciuni că apa ar putea avea un superionic gheață fază. Chiar în momentul în care faza a fost prezisă pentru prima dată, sonda Voyager 2 a navigat în sistemul solar exterior, descoperind ceva ciudat despre câmpurile magnetice ale giganților de gheață Uranus și Neptun.,câmpurile din jurul celorlalte planete ale sistemului solar par a fi alcătuite din polii nord și Sud puternic definiți, fără prea multe alte structuri. Este aproape ca și cum ar avea doar magneți de bare în centrele lor, aliniați cu axele lor de rotație. Oamenii de știință planetari crează acest lucru până la” dinamuri”: regiuni interioare în care fluidele conductive se ridică și se învârt pe măsură ce planeta se rotește, germinând câmpuri magnetice masive.în schimb, câmpurile magnetice emanate de Uranus și Neptun păreau mai lumpier și mai complexe, cu mai mult de doi poli., De asemenea, ele nu se aliniază la fel de strâns la rotația planetelor lor. O modalitate de a produce acest lucru ar fi să limităm cumva fluidul conductor responsabil pentru dinam într-o coajă exterioară subțire a planetei, în loc să-l lăsăm să ajungă în miez.dar ideea că aceste planete ar putea avea nuclee solide, care sunt incapabile să genereze dinamuri, nu părea realistă. Dacă ați forat în acești giganți de gheață, v-ați aștepta să întâlniți mai întâi un strat de apă ionică, care să curgă, să conducă curenți și să participe la un dinam., Naiv, se pare că un material și mai profund, la temperaturi și mai calde, ar fi, de asemenea, un fluid. „Obișnuiam să fac mereu glume că nu există nicio cale ca interioarele Uranus și Neptun să fie de fapt solide”, a spus Sabine Stanley la Universitatea Johns Hopkins. „Dar acum se dovedește că ar putea fi de fapt.”
Ice on Blast
acum, în sfârșit, Coppari, Millot și echipa lor au adus piesele puzzle-ului împreună.într-un experiment anterior, publicat în februarie anul trecut, fizicienii au construit dovezi indirecte pentru gheața superionică., Au strâns o picătură de apă la temperatura camerei între capetele ascuțite ale două diamante tăiate. Până când presiunea a crescut la aproximativ o gigapascal, aproximativ de 10 ori pe fundul gropii Marianelor, apa s-a transformat într-un cristal tetragonal numit ice VI. De aproximativ 2 gigapascali, ar fi trecut în gheață VII, un dens, formă cubică transparent cu ochiul liber că oamenii de știință au descoperit recent, de asemenea, există în buzunare mici în interiorul diamante naturale.,apoi, folosind laserul OMEGA de la laboratorul pentru Energetica Laser, Millot și colegii au vizat ice VII, încă între nicovale diamantate. Pe măsură ce laserul a lovit suprafața diamantului, acesta a vaporizat materialul în sus, îndepărtând efectiv diamantul în direcția opusă și trimițând o undă de șoc prin gheață. Millot echipa lui au găsit super-presiune de gheață s-a topit în jur de 4.700 de grade Celsius, despre cum era de așteptat pentru superionic gheață, și că a făcut-o conduită de energie electrică datorită mișcării de protoni încărcată.,cu aceste predicții despre proprietățile în vrac ale gheții superionice, noul studiu condus de Coppari și Millot a făcut următorul pas de confirmare a structurii sale. „Dacă doriți cu adevărat să dovediți că ceva este cristalin, atunci aveți nevoie de difracție cu raze X”, a spus Salzmann.
noul lor experiment a omis cu totul ices VI și VII. În schimb, echipa a distrus pur și simplu apa cu explozii laser între nicovale de diamant., Miliarde de secunde mai târziu, pe măsură ce undele de șoc s-au revărsat și apa a început să cristalizeze în cuburi de gheață de dimensiuni nanometrice, oamenii de știință au folosit încă 16 fascicule laser pentru a vaporiza o așchie subțire de fier lângă probă. Plasma fierbinte rezultată a inundat apa cristalizantă cu raze X, care apoi s-au difractat de cristalele de gheață, permițând echipei să-și discerne structura.
atomii din apă s-au rearanjat în arhitectura îndelung prezisă, dar niciodată văzută, Ice XVIII: o latură cubică cu atomi de oxigen la fiecare colț și centrul fiecărei fețe., „Este un progres destul de mare”, a spus Coppari.”faptul că existența acestei faze nu este un artefact al simulărilor dinamice moleculare cuantice, ci este reală — este foarte reconfortant”, a spus Bove.și acest tip de verificare încrucișată reușită în spatele simulărilor și a gheții superionice reale sugerează că „visul” final al cercetătorilor fizicii materialelor ar putea fi în curând la îndemână., „Îmi spui ce proprietăți vrei într-un material și vom merge la computer și ne vom da seama teoretic ce material și ce fel de structură de cristal ai avea nevoie”, a spus Raymond Jeanloz, membru al echipei discovery cu sediul la Universitatea din California, Berkeley. „Comunitatea în general se apropie.”
noile analize sugerează, de asemenea, că, deși gheața superionică conduce o anumită energie electrică, este un solid moale. Ar curge în timp, dar nu cu adevărat putinei., În interiorul Uranus și Neptun, atunci, straturile fluide s-ar putea opri la aproximativ 8.000 de kilometri în jos în planetă, unde începe o manta enormă de gheață lentă, superionică, precum echipa lui Millot. Aceasta ar limita majoritatea acțiunilor dinam la adâncimi mai mici, reprezentând câmpurile neobișnuite ale planetelor.alte planete și luni din Sistemul solar probabil nu găzduiesc punctele dulci interioare potrivite de temperatură și presiune pentru a permite gheața superionică. Dar multe exoplanete de dimensiuni gigantice de gheață ar putea, sugerând că substanța ar putea fi comună în interiorul lumilor înghețate din întreaga galaxie.,desigur ,însă, nicio planetă reală nu conține doar apă. Giganții de gheață din sistemul nostru solar se amestecă și în specii chimice precum metanul și amoniacul. Măsura în care comportamentul superionic apare de fapt în natură „va depinde de existența acestor faze atunci când amestecăm apa cu alte materiale”, a spus Stanley. Până în prezent, acest lucru nu este clar, deși alți cercetători au susținut că amoniacul superionic ar trebui să existe și el.,în afară de extinderea cercetării lor la alte materiale, echipa speră, de asemenea, să păstreze reducerea la zero a dualității ciudate, aproape paradoxale a cristalelor lor superionice. Doar capturarea rețelei atomilor de oxigen „este în mod clar cel mai provocator experiment pe care l-am făcut vreodată”, a spus Millot. Încă nu au văzut fluxul fantomatic, interstițial de protoni prin rețea. „Din punct de vedere tehnologic, nu suntem încă acolo”, a spus Coppari, ” dar câmpul crește foarte repede.”