Bedre vandmodel under ekstreme forhold kunne hjælpe med at forstå jordens kappe

Inderst inde i Jorden findes lommer af vand, men væsken der er ikke som vandet på overfladen.

Når den udsættes for ufatteligt høje temperaturer og tryk, vand udviser alle mulige underlige faser og egenskaber, fra at forblive en væske ved temperaturer 10 gange højere end kogepunktet til at eksistere som en væske og et fast stof på samme tid.

Denne mærkelige verden er stadig ikke fuldt ud forstået, men et team af forskere ved University of Chicago kørte kvantsimuleringer for at udvikle en ny model for vandets opførsel ved ekstremt høje temperaturer og tryk. De beregningsmæssige målinger, offentliggjort 18. juni i Procedurer fra National Academy of Sciences , skulle hjælpe forskere med at forstå vandets rolle i kappens sammensætning og potentielt på andre planeter.

"Subtil fysik på molekylært niveau kan påvirke materiens egenskaber dybt inde i planeter, "sagde Viktor Rozsa, en UChicago -kandidatstuderende og første forfatter på papiret. "Hvordan vand reagerer og transporterer ladning på molekylær skala påvirker vores forståelse af fænomener, der spænder fra magmas bevægelse, vand og andre væsker til hele planetens magnetfelt. "

Under betingelserne i undersøgelsen - mere end 40 gange varmere end vores daglige forhold og 100, 000 gange større end atmosfærisk tryk-vand river regelmæssigt fra hinanden og danner sine egne kemiske bindinger. Resultatet er, at det kan interagere meget anderledes med andre mineraler, end det gør på jordoverfladen.

Forskere har forsøgt at fastslå præcis, hvordan disse atomer interagerer i årtier:Det er ekstremt svært at teste eksperimentelt, da vand kan reagere med selve instrumentet. "Det er overraskende, hvor lidt vi ved om vand under skorpen, "sagde hovedforfatter Giulia Galli, Liew -familieprofessoren i molekylær teknik og professor i kemi ved UChicago og en seniorforsker ved Argonne National Laboratory.

Men vand under disse forhold eksisterer i hele kappen - det er muligt, at der kan være mere vand fordelt inde i Jorden, end der er i havene - og forskere vil gerne vide præcis, hvordan det opfører sig for at forstå dets rolle i Jorden og hvordan det bevæger sig gennem kappen.

Gallis gruppe byggede en model ved at udføre kvantemekaniske simuleringer af et lille sæt vandmolekyler ved ekstremt høje tryk og temperaturer - inden for det område, du har brug for for at syntetisere en diamant.

Deres model, bygget ved hjælp af simuleringer udført på Research Computing Center i UChicago, giver en forklaring på nogle af vandets mere mystiske egenskaber ved sådanne tryk, såsom forbindelsen mellem bizart høj ledningsevne og hvordan dets molekyler adskiller og genassocierer.

Det forudsiger og analyserer også et kontroversielt sæt målinger kaldet vibrationsspektroskopiske signaturer af vand, eller fingeraftryk af molekylær bevægelse, der beskriver, hvordan molekyler interagerer og bevæger sig.

Ud over at fremme forståelsen af ​​vores egen planet, Galli sagde, "evnen til at udføre den slags simuleringer, der udføres i vores papir, kan have vigtige konsekvenser for modellering af eksoplaneter." Mange forskere, herunder dem i UChicago, indsnævrer betingelserne for fjerne planeter, der kan have betingelser for at skabe liv, og meget af denne søgning kredser om vand.

Galli er medlem af forskerholdet i Institute for Molecular Engineering's vandtema, ledet af James Skinner, kronefamilieprofessoren i molekylær teknik. Teamet søger at forstå det fysiske, kemiske og biologiske manifestationer af vand, og at udvikle applikationer fra innovative rensningsfiltre, til nye materialer til afsaltning og lithiumionhøstning, til nye katalysatorer til vandkemi og desinfektion.

Mens vand er overalt og intensivt vigtigt for os, Galli sagde, det er notorisk svært at simulere og studere:"Dette er et skridt på den lange rejse til forståelse."