Experten sagen, dass die Entdeckung von superionischem Eis Computervorhersagen bestätigt, die Materialphysikern helfen könnten, zukünftige Substanzen mit maßgeschneiderten Eigenschaften herzustellen. Und das Finden des Eises erforderte ultraschnelle Messungen und eine Feinsteuerung von Temperatur und Druck, um experimentelle Techniken voranzutreiben. „All dies wäre, sagen wir, vor fünf Jahren nicht möglich gewesen“, sagte Christoph Salzmann vom University College London, der ices XIII, XIV und XV entdeckte. „Es wird sicherlich einen großen Einfluss haben.,“
Je nachdem, wen Sie fragen, ist Superionic Ice entweder eine weitere Ergänzung zu Water ‚ s bereits überladener Reihe von Avataren oder etwas noch Fremderem. Weil seine Wassermoleküle auseinanderbrechen, sagte die Physikerin Livia Bove vom französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung und der Pierre and Marie Curie University, ist es keine ganz neue Phase des Wassers. „Es ist wirklich ein neuer Zustand der Materie“, sagte sie, “ was ziemlich spektakulär ist.,“
Puzzles Put on Ice
Physiker suchen seit Jahren nach superionischem Eis-seit eine primitive Computersimulation unter der Leitung von Pierfranco Demontis im Jahr 1988 vorhersagte, dass Wasser diese seltsame, fast metallartige Form annehmen würde, wenn Sie es über die Karte bekannter Eisphasen hinausschieben würden.
Unter extremem Druck und Hitze, so schlagen die Simulationen vor, brechen Wassermoleküle. Da die Sauerstoffatome in einem kubischen Gitter eingeschlossen sind,“ springen die Hydrogene jetzt von einer Position im Kristall zur anderen und springen wieder und springen wieder“, sagte Millot., Die Sprünge zwischen Gitterstellen sind so schnell, dass sich die Wasserstoffatome — die ionisiert sind und sie im Wesentlichen positiv geladene Protonen bilden — wie eine Flüssigkeit zu bewegen scheinen.
Dies deutete darauf hin, dass superionisches Eis Elektrizität wie ein Metall leiten würde, wobei die Hydrogene die übliche Rolle von Elektronen spielen. Wenn diese losen Wasserstoffatome herumspülen, würde dies auch die Störung oder Entropie des Eises verstärken. Diese Zunahme der Entropie würde dieses Eis wiederum viel stabiler machen als andere Arten von Eiskristallen, wodurch sein Schmelzpunkt nach oben steigt.,
Aber all dies war leicht vorstellbar und schwer zu vertrauen. Die ersten Modelle verwendeten vereinfachte Physik, Hand-Winken ihren Weg durch die Quantennatur der realen Moleküle. Spätere Simulationen führten zu mehr Quanteneffekten, überstiegen jedoch immer noch die tatsächlichen Gleichungen, die erforderlich waren, um mehrere interagierende Quantenkörper zu beschreiben, die zu rechnerisch schwierig zu lösen sind. Stattdessen stützten sie sich auf Annäherungen und erhöhten die Möglichkeit, dass das gesamte Szenario nur eine Fata Morgana in einer Simulation sein könnte., Experimente konnten unterdessen nicht die erforderlichen Drücke erzeugen, ohne auch genug Wärme zu erzeugen, um selbst diese robuste Substanz zu schmelzen.
Als das Problem jedoch schwand, entwickelten Planetenwissenschaftler ihren eigenen schleichenden Verdacht, dass Wasser eine superionische Eisphase haben könnte. Gleich zu der Zeit, als die Phase zum ersten Mal vorhergesagt wurde, war die Sonde Voyager 2 in das äußere Sonnensystem gesegelt und hatte etwas Seltsames über die Magnetfelder der Eisriesen Uranus und Neptun entdeckt.,
Die Felder um die anderen Planeten des Sonnensystems scheinen aus stark definierten Nord-und Südpolen zu bestehen, ohne viel andere Struktur. Es ist fast so, als hätten sie nur Stabmagnete in ihren Zentren, die auf ihre Rotationsachsen ausgerichtet sind. Planetenwissenschaftler kreiden dies auf „Dynamos“ an: innere Regionen, in denen leitfähige Flüssigkeiten aufsteigen und wirbeln, während sich der Planet dreht und massive Magnetfelder sprießen.
Im Gegensatz dazu sahen die Magnetfelder, die von Uranus und Neptun ausgingen, mit mehr als zwei Polen klumpiger und komplexer aus., Sie richten sich auch nicht so eng an der Rotation ihrer Planeten aus. Eine Möglichkeit, dies zu erzeugen, wäre, die für den Dynamo verantwortliche Leitflüssigkeit irgendwie in eine dünne äußere Hülle des Planeten zu beschränken, anstatt sie in den Kern reichen zu lassen.
Aber die Idee, dass diese Planeten feste Kerne haben könnten, die nicht in der Lage sind, Dynamos zu erzeugen, schien nicht realistisch. Wenn Sie in diese Eisriesen bohren würden, würden Sie erwarten, zuerst auf eine Schicht ionischen Wassers zu stoßen, die fließen, Ströme leiten und an einem Dynamo teilnehmen würde., Naiv scheint es, als wäre noch tieferes Material bei noch heißeren Temperaturen auch eine Flüssigkeit. „Ich habe immer Witze gemacht, dass die Innenräume von Uranus und Neptun auf keinen Fall solide sind“, sagte Sabine Stanley von der Johns Hopkins University. „Aber jetzt stellt sich heraus, dass sie es tatsächlich sein könnten.“
Ice on Blast
Nun haben Coppari, Millot und ihr Team endlich die Puzzleteile zusammengebracht.
In einem früheren Experiment, das im vergangenen Februar veröffentlicht wurde, bauten die Physiker indirekte Beweise für superionisches Eis., Sie drückten einen Tropfen Wasser bei Raumtemperatur zwischen die spitzen Enden von zwei Diamanten. Zu der Zeit stieg der Druck auf etwa einen gigapascal, etwa 10 mal, dass am Boden des Marianas-Grabens, das Wasser hatte sich in einen tetragonalen Kristall namens Ice VI umgewandelt. Um etwa 2 gigapascal, es hatte sich in Eis VII, eine dichtere, kubische Form mit bloßem Auge transparent, dass Wissenschaftler vor kurzem entdeckt existiert auch in winzigen Taschen in natürlichen Diamanten.,
Dann zielten Millot und Kollegen mit dem OMEGA-Laser im Labor für Laserenergetik auf das Eis VII, immer noch zwischen Diamant-Ambossen. Wenn der Laser auf die Oberfläche des Diamanten trifft, verdampft er Material nach oben, wodurch der Diamant effektiv in die entgegengesetzte Richtung geschüttelt und eine Stoßwelle durch das Eis gesendet wird. Millot ‚ s Team fand heraus, dass ihr unter Druck stehendes Eis bei etwa 4.700 Grad Celsius geschmolzen war, ungefähr wie erwartet für superionisches Eis, und dass es dank der Bewegung geladener Protonen Elektrizität leitete.,
Mit diesen Vorhersagen über die Masseneigenschaften von Superionic Ice hat die neue Studie unter der Leitung von Coppari und Millot den nächsten Schritt unternommen, um ihre Struktur zu bestätigen. „Wenn Sie wirklich beweisen wollen, dass etwas kristallin ist, dann brauchen Sie Röntgenbeugung“, sagte Salzmann.
Ihr neues Experiment übersprang ices VI und VII insgesamt. Stattdessen zertrümmerte das Team einfach Wasser mit Laserstrahlen zwischen Diamant Ambosse., Eine Milliardstel Sekunde später, als Stoßwellen durchwühlten und das Wasser zu nanometergroßen Eiswürfeln kristallisierte, verwendeten die Wissenschaftler 16 weitere Laserstrahlen, um einen dünnen Eisensplitter neben der Probe zu verdampfen. Das resultierende heiße Plasma überflutete das kristallisierende Wasser mit Röntgenstrahlen, die dann von den Eiskristallen gebeugt wurden, so dass das Team ihre Struktur erkennen konnte.
Die Atome im Wasser hatten sich in die lange vorhergesagte, aber nie zuvor gesehene Architektur Ice XVIII neu geordnet: ein kubisches Gitter mit Sauerstoffatomen an jeder Ecke und im Zentrum jeder Fläche., „Es ist ein ziemlicher Durchbruch“, sagte Coppari.
„Die Tatsache, dass die Existenz dieser Phase kein Artefakt quantenmolekularer dynamischer Simulationen ist, sondern real ist — das ist sehr beruhigend“, sagte Bove.
Und diese Art von erfolgreichem Cross-Check hinter Simulationen und echtem superionischem Eis legt nahe, dass der ultimative „Traum“ von Materialphysikforschern bald in Reichweite sein könnte., „Sie sagen mir, welche Eigenschaften Sie in einem Material wünschen, und wir gehen zum Computer und finden theoretisch heraus, welches Material und welche Art von Kristallstruktur Sie benötigen würden“, sagte Raymond Jeanloz, Mitglied des Entdeckungsteams an der University of California, Berkeley. „Die Gemeinschaft im Allgemeinen rückt näher.“
Die neuen Analysen deuten auch darauf hin, dass, obwohl superionisches Eis etwas Strom leitet, es ein matschiger Feststoff ist. Es würde im Laufe der Zeit fließen, aber nicht wirklich Churn., Innerhalb von Uranus und Neptun könnten Flüssigkeitsschichten etwa 8.000 Kilometer bis auf den Planeten anhalten, wo ein enormer Mantel aus träge, superionisches Eis wie Millot Team produziert beginnt. Das würde die meisten Dynamo-Aktionen auf flachere Tiefen beschränken und die ungewöhnlichen Felder der Planeten berücksichtigen.
Andere Planeten und Monde im Sonnensystem beherbergen wahrscheinlich nicht die richtigen inneren Sweet Spots von Temperatur und Druck, um superionisches Eis zu ermöglichen. Aber viele Eisriesen-große Exoplaneten könnten, was darauf hindeutet, dass die Substanz in eisigen Welten in der gesamten Galaxie verbreitet sein könnte.,
Natürlich enthält kein echter Planet nur Wasser. Die Eisriesen in unserem Sonnensystem vermischen sich auch in chemischen Spezies wie Methan und Ammoniak. Inwieweit superionisches Verhalten tatsächlich in der Natur auftritt, hängt „davon ab, ob diese Phasen noch existieren, wenn wir Wasser mit anderen Materialien mischen“, sagte Stanley. Bisher ist das nicht klar, obwohl andere Forscher argumentiert haben, dass auch superionisches Ammoniak existieren sollte.,
Abgesehen von der Ausweitung ihrer Forschung auf andere Materialien hofft das Team auch, die seltsame, fast paradoxe Dualität ihrer superionischen Kristalle auf Null zu setzen. Nur das Gitter von Sauerstoffatomen einzufangen „ist eindeutig das schwierigste Experiment, das ich je gemacht habe“, sagte Millot. Sie haben den gespenstischen, interstitiellen Fluss von Protonen durch das Gitter noch nicht gesehen. „Technologisch sind wir noch nicht da“, sagte Coppari, “ aber das Feld wächst sehr schnell.”