Første eksperimentelle bevis for superionisk is

Blandt de mange opdagelser om stof under højt tryk, der gav ham Nobelprisen i 1946, videnskabsmand Percy Bridgman opdagede fem forskellige krystallinske former for vandis, indleder mere end 100 års forskning i, hvordan is opfører sig under ekstreme forhold.

En af de mest spændende egenskaber ved vand er, at det kan blive superionisk, når det opvarmes til flere tusinde grader ved højt tryk, ligner forholdene inde i kæmpe planeter som Uranus og Neptun. Denne eksotiske tilstand af vand er kendetegnet ved væske-lignende hydrogenioner, der bevæger sig inden i et fast iltgitter.

Da dette først blev forudsagt i 1988, mange forskergrupper på området har bekræftet og forfinet numeriske simuleringer, mens andre brugte statiske komprimeringsteknikker til at udforske fasediagrammet for vand ved højt tryk. Mens indirekte signaturer blev observeret, ingen forskergruppe har kunnet identificere eksperimentelle beviser for superionisk vandis - indtil nu.

I et papir udgivet i dag af Naturfysik , et forskerhold fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), University of California, Berkeley og University of Rochester leverer eksperimentelle beviser for superionisk ledning i vandis ved planetariske indre forhold, verificere den 30-årige forudsigelse.

Ved hjælp af stødkomprimering, holdet identificerede termodynamiske signaturer, der viser, at is smelter nær 5000 Kelvin (K) ved 200 gigapascal (GPa - 2 millioner gange Jordens atmosfære) - 4000 K højere end smeltepunktet ved 0,5 megabar (Mbar) og næsten solens overfladetemperatur.

"Vores eksperimenter har verificeret de to vigtigste forudsigelser for superionisk is:meget høj protonisk/ionisk ledningsevne inden for det faste og høje smeltepunkt, "sagde hovedforfatter Marius Millot, fysiker ved LLNL. "Vores arbejde giver eksperimentelt bevis for superionisk is og viser, at disse forudsigelser ikke skyldtes artefakter i simuleringerne, men fangede faktisk vandets ekstraordinære opførsel under disse forhold. Dette giver en vigtig validering af state-of-the-art kvantesimuleringer ved hjælp af densitet-funktionel-teoribaseret molekylær dynamik (DFT-MD). "

"Drevet af stigningen i de tilgængelige computerressourcer, Jeg føler, vi har nået et vendepunkt, "tilføjede Sebastien Hamel, LLNL-fysiker og medforfatter af papiret. "Vi er nu på et stadium, hvor et stort nok antal af disse simuleringer kan køres til at kortlægge store dele af fasediagrammet over materialer under ekstreme forhold i tilstrækkelige detaljer til effektivt at understøtte eksperimentelle bestræbelser."

Brug af diamantamboltceller (DAC), holdet påførte 2,5 GPa tryk (25 tusind atmosfærer) for at komprimere vand i is VII ved stuetemperatur is, en kubisk krystallinsk form, der er forskellig fra "isterning" sekskantet is, udover at være 60 procent tættere end vand ved omgivende tryk og temperatur. Derefter flyttede de til University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics (LLE) for at udføre laserdrevet chokkomprimering af de forkomprimerede celler. De fokuserede op til seks intense stråler af LLE's Omega-60 laser, levere en 1 nanosekund puls af UV -lys på en af ​​diamanterne. Dette lancerede stærke chokbølger på flere hundrede GPa ind i prøven, at komprimere og opvarme vandisen på samme tid.

"Fordi vi for-komprimerede vandet, der er mindre stødopvarmning, end hvis vi stødkomprimerer flydende vand, giver os mulighed for at få adgang til meget koldere tilstande ved højt tryk end i tidligere chokkomprimeringsundersøgelser, så vi kunne nå det forudsagte stabilitetsdomæne for superionisk is, "Sagde Millot.

Teamet brugte interferometrisk ultrahurtig hastighed og pyrometri til at karakterisere de optiske egenskaber ved det stødte komprimerede vand og bestemme dets termodynamiske egenskaber i løbet af eksperimentets korte 10-20 nanosekundvarighed, før trykfrigivelsesbølger dekomprimerede prøven og fordampede diamanterne og vandet.

"Det er meget udfordrende eksperimenter, så det var virkelig spændende at se, at vi kunne lære så meget af dataene - især da vi brugte cirka to år på at foretage målingerne og to år mere til at udvikle metoderne til at analysere dataene, "Sagde Millot.

Dette arbejde har også vigtige konsekvenser for planetarisk videnskab, fordi Uranus og Neptun kan indeholde store mængder superionisk vandis. Planetforskere mener, at disse gigantiske planeter primært er lavet af et kulstof, brint, ilt og nitrogen (C-H-O-N) blanding, der svarer til 65 vægtprocent vand, blandet med ammoniak og metan.

Mange forskere forestiller sig disse planeter med fuldt flydende konvekterende interiør. Nu, den eksperimentelle opdagelse af superionisk is skulle give mere styrke til et nyt billede for disse objekter med et relativt tyndt lag væske og en stor "kappe" af superionisk is. Faktisk, en sådan struktur blev foreslået for ti år siden - baseret på dynamosimulering - for at forklare disse usædvanlige magnetfelter på disse planeter. Dette er især relevant, da NASA overvejer at lancere en sonde til Uranus og/eller Neptun, i fodsporene på de succesrige Cassini- og Juno -missioner til Saturn og Jupiter.

"Magnetfelter giver afgørende oplysninger om planternes interiør og udvikling, så det er glædeligt, at vores eksperimenter kan teste - og faktisk støtte-den tynde dynamo-idé, der var blevet foreslået til at forklare de virkelig mærkelige magnetiske felter i Uranus og Neptun, "sagde Raymond Jeanloz, medforfatter på papiret og professor i Earth &Planetary Physics and Astronomy ved University of California, Berkeley. Det er også forbløffende, at frossen vandis er til stede i tusindvis af grader inde i disse planeter, men det er, hvad eksperimenterne viser. "

"Det næste trin vil være at bestemme strukturen af ​​iltgitteret, sagde Federica Coppari, LLNL-fysiker og medforfatter af papiret. "Røntgendiffraktion udføres nu rutinemæssigt i laserchokforsøg på Omega, og det vil gøre det muligt eksperimentelt at bestemme den krystallinske struktur af superionisk vand. Dette ville være meget spændende, fordi teoretiske simuleringer kæmper for at forudsige den faktiske struktur af superionisk vandis."

Ser frem til, holdet planlægger at skubbe til højere forkomprimering og udvide teknikken til andre materialer, såsom helium, det ville være mere repræsentativt for planeter som Saturn og Jupiter.