experter säger upptäckten av superionisk is vindicates datorprognoser, vilket kan hjälpa materialfysiker att tillverka framtida ämnen med skräddarsydda egenskaper. Och att hitta isen krävs ultrasnabba mätningar och fin kontroll av temperatur och tryck, framåt experimentella tekniker. ”Allt detta skulle inte ha varit möjligt, säg, fem år sedan”, sade Christoph Salzmann vid University College London, som upptäckte ices-XIII, XIV och XV. ”Det kommer att ha en enorm inverkan, för säker.,”
beroende på vem du frågar är superionisk is antingen ett annat tillägg till vattnets redan röriga utbud av avatarer eller något ännu främling. Eftersom dess vattenmolekyler bryta isär, sade fysikern Livia Bove av Frankrikes National Center for Scientific Research och Pierre och Marie Curie University, det är inte riktigt en ny fas av vatten. ”Det är verkligen ett nytt tillstånd av materia”, sa hon, ” vilket är ganska spektakulärt.,”
pussel sätta på is
fysiker har varit efter superjonisk IS i flera år – ända sedan en primitiv datorsimulering ledd av Pierfranco Demontis 1988 förutspådde vatten skulle ta på denna märkliga, nästan metallliknande form om du sköt den bortom kartan över kända isfaser.
under extremt tryck och värme, föreslog simuleringarna, vattenmolekylerna bryts. Med syreatomerna låsta i en kubisk gitter ”börjar hydrogenerna nu hoppa från en position i kristallen till en annan och hoppa igen och hoppa igen”, säger Millot., Hoppen mellan gitterplatser är så snabba att väteatomerna — som joniseras, vilket gör dem väsentligen positivt laddade protoner — verkar röra sig som en vätska.
detta föreslog superjonisk is skulle leda elektricitet, som en metall, med hydrogenerna som spelar den vanliga rollen som elektroner. Att ha dessa lösa väteatomer som forsar runt skulle också öka isens sjukdom eller entropi. I sin tur skulle den ökningen av entropi göra denna Is mycket stabilare än andra typer av iskristaller, vilket gör att smältpunkten stiger uppåt.,
men allt detta var lätt att föreställa sig och svårt att lita på. De första modellerna använde förenklad fysik och viftade sig genom de verkliga molekylernas kvantkaraktär. Senare simuleringar viks i mer kvanteffekter men fortfarande sidestepped de faktiska ekvationer som krävs för att beskriva flera kvantkroppar som interagerar, vilket är för beräkningsmässigt svårt att lösa. Istället förlitade de sig på approximationer, vilket ökade möjligheten att hela scenariot bara kunde vara en mirage i en simulering., Experiment kunde under tiden inte göra de nödvändiga trycket utan att också generera tillräckligt med värme för att smälta även denna hårda substans.
som problemet simmered utvecklade planetariska forskare sina egna smyger misstankar om att vatten kan ha en superionisk isfas. Precis runt den tid då fasen först förutspåddes hade sonden Voyager 2 seglat in i det yttre solsystemet och avslöjat något konstigt om isjättarna Uranus och Neptunus magnetfält.,
fälten runt solsystemets andra planeter verkar bestå av starkt definierade Nord-och sydpoler, utan mycket annan struktur. Det är nästan som om de bara har barmagneter i sina centra, i linje med sina rotationsaxlar. Planetariska forskare kritar upp detta till ”dynamos”: inre regioner där ledande vätskor stiger och virvlar runt när planeten roterar och sprutar massiva magnetfält.
däremot såg magnetfälten som härrör från Uranus och Neptunus klumpigare och mer komplex, med mer än två poler., De anpassar sig inte lika nära planeternas rotation. Ett sätt att producera detta skulle vara att på något sätt begränsa den ledande vätskan som är ansvarig för dynamo till bara ett tunt yttre skal av planeten, istället för att låta det nå ner i kärnan.
men tanken att dessa planeter kan ha fasta kärnor, som inte kan generera dynamos, verkade inte realistisk. Om du borrade in i dessa isjättar, skulle du förvänta dig att först stöta på ett lager av jonvatten, vilket skulle flöda, leda strömmar och delta i en dynamo., Naivt verkar det som ännu djupare material, vid ännu varmare temperaturer, skulle också vara en vätska. ”Jag brukade alltid skämta om att det inte finns något sätt att inredningen av Uranus och Neptunus faktiskt är solid”, säger Sabine Stanley vid Johns Hopkins University. ”Men nu visar det sig att de faktiskt kan vara.”
Ice on Blast
nu, äntligen, Coppari, Millot och deras team har fört pusselbitarna tillsammans.
i ett tidigare experiment, som publicerades i februari förra året, byggde fysikerna indirekta bevis för superionisk is., De klämde en droppe rumstemperaturvatten mellan de spetsiga ändarna av två avskurna diamanter. När trycket höjdes till ungefär en gigapascal, ungefär 10 gånger att vid botten av Marianas Trench, vattnet hade förvandlats till en tetragonal kristall som kallas ice VI. av ca 2 gigapascal, det hade bytt till ice VII, en tätare, kubisk form transparent för blotta ögat som forskare nyligen upptäckt finns också i små fickor inuti naturliga diamanter.,
sedan, med hjälp av OMEGA laser vid Laboratoriet för Laser Energetik, Millot och kollegor riktade ice VII, fortfarande mellan diamant städ. När lasern träffade ytan av diamanten, det förångas material uppåt, effektivt raketer diamanten bort i motsatt riktning och skicka en chockvåg genom isen. Millots team fann sin superpressuriserade is smält vid cirka 4.700 grader Celsius, ungefär som förväntat för superionisk is, och att det gjorde El tack vare rörelsen av laddade protoner.,
med dessa förutsägelser om superionis bulkegenskaper bosatte sig, den nya studien ledd av Coppari och Millot tog nästa steg för att bekräfta sin struktur. ”Om du verkligen vill bevisa att något är kristallint, behöver du röntgendiffraktion,” sa Salzmann.
deras nya experiment hoppade över ICES VI och VII helt och hållet. Istället slog laget helt enkelt vatten med laser blaster mellan diamant anvils., Miljarddelar av en sekund senare, som chockvågor krusade genom och vattnet började kristallisera i nanometer-storlek isbitar, använde forskarna 16 fler laserstrålar för att förånga en tunn skiva järn bredvid provet. Den resulterande heta plasman översvämmade det kristalliserande vattnet med röntgenstrålar, som sedan diffraherades från iskristallerna, vilket gjorde det möjligt för laget att urskilja sin struktur.
atomer i vattnet hade omarrangerats till den länge förutspådda men aldrig tidigare sett arkitekturen, Ice XVIII: en kubisk gitter med syreatomer i varje hörn och i mitten av varje ansikte., ”Det är ett ganska genombrott”, sa Coppari.
”det faktum att förekomsten av denna fas inte är en artefakt av kvantmolekylära dynamiska simuleringar, men är verklig — det är väldigt tröstande”, sa Bove.
och denna typ av framgångsrik korskontroll bakom simuleringar och verklig superionisk is föreslår den ultimata ”drömmen” av materialfysikforskare kan snart vara inom räckhåll., ”Du berättar för mig vilka egenskaper du vill ha i ett material, och vi går till datorn och räknar teoretiskt ut vilket material och vilken typ av kristallstruktur du skulle behöva”, säger Raymond Jeanloz, medlem i discovery-teamet baserat vid University of California, Berkeley. ”Samhället i stort närmar sig.”
de nya analyserna tyder också på att även om superionisk is gör lite el, är det en grusig fast. Det skulle flöda över tiden, men inte riktigt churn., Inuti Uranus och Neptunus kan vätskelagren stoppa omkring 8 000 kilometer ner i planeten, där en enorm mantel av trög, superionisk is som Millots team producerade börjar. Det skulle begränsa de flesta dynamo åtgärder till grundare djup, står för planeternas ovanliga fält.
andra planeter och månar i solsystemet är sannolikt inte värd för rätt inre söta fläckar av temperatur och tryck för att möjliggöra superionisk is. Men många is Jättestora exoplaneter kan, vilket tyder på att ämnet kan vara vanligt i isiga världar i hela galaxen.,
naturligtvis innehåller ingen riktig planet bara vatten. Isjättarna i vårt solsystem blandar också i kemiska arter som metan och ammoniak. I vilken utsträckning det superjoniska beteendet faktiskt förekommer i naturen ”kommer att bero på huruvida dessa faser fortfarande existerar när vi blandar vatten med andra material”, sa Stanley. Hittills är det inte klart, även om andra forskare har hävdat att superjonisk ammoniak också borde existera.,
bortsett från att utvidga sin forskning till andra material hoppas laget också att hålla nollställning på den konstiga, nästan paradoxala dualiteten hos deras superjoniska kristaller. Att bara fånga gitteret av syreatomer ”är helt klart det mest utmanande experimentet jag någonsin har gjort”, säger Millot. De har ännu inte sett det spöklika, interstitiella flödet av protoner genom gallret. ”Tekniskt är vi inte där ännu”, sa Coppari, ” men fältet växer väldigt snabbt.”