Ny forståelse af størkningen af ​​højtryksis fundet i oceanernes planeter

Et team af teoretikere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har løst et mangeårigt puslespil i kernedannelsen af ​​en højtryksfase af is kendt som is VII, som menes at eksistere nær kernen af ​​"havverden"-planeter for nylig opdaget uden for solsystemet, og er for nylig blevet opdaget at eksistere inden for Jordens kappe. Resultaterne er beskrevet i et papir offentliggjort i dag af Fysisk gennemgangsbreve .

Vand har vist sig at fryse til is VII i laboratorieforsøg, der bruger stød- eller rampebølger til at komprimere flydende vand til tryk over 100, 000 gange, hvad der findes ved omgivende forhold. Imidlertid, eksperimenter udført af forskellige forskningsgrupper har præsenteret modstridende kernedannelsesformer. I et tilfælde is nukleerer heterogent (dannes på en nærliggende materialeoverflade), men i andre undersøgelser blev is fundet at danne homogen (inden for hovedparten af ​​vandprøven) og med en meget hurtigere krystallisationshastighed, med hele prøven frosset i en forbløffende kort tidsskala på 10 nanosekunder.

"Betingelserne skabt af stødkompression er usædvanlige, idet de producerer en enorm drivkraft for systemet til at kernedannelse - der er unikke overvejelser, der skal tages i betragtning for størkning ved højt tryk, " sagde Philip Myint, en medarbejder i Physics Division på LLNL og hovedforfatter af forskningen, som også er omtalt som et "Redaktørens forslag" i tidsskriftet. "Væsken drives væk fra ligevægt så hurtigt, at det tager yderligere tid for klynger at dukke op, en proces kendt som transient nucleation."

Myint og medforfattere fandt, at denne forbigående kernedannelsesmekanisme har en dybtgående effekt på tidsskalaen for krystallisering, en indsigt, der ændrer, hvordan højtryksforsøg kan udføres i fremtiden.

Nukleering af en krystal begynder med dannelsen af ​​en klynge af atomer, skabe en grænseflade, der hverken er flydende eller fast. I frysende vand ved omgivende tryk, der er et varmelag, der løber foran væske-faststof-grænsefladen. Det nye teoretiske arbejde om is VII kinetik tegner et helt andet billede, med stort set intet varmelag foran grænsefladen.

"Denne ekstreme temperaturuligevægt mellem den flydende og voksende is VII-krystal kommer fra den ekstremt høje underkøling, der driver væsken til at fryse. Som et resultat, der er ikke behov for den langsomme proces med latent varmefjernelse, og grænsefladehastigheden styres kun af meget hurtig molekylær bestilling ved grænsefladen, " sagde medforfatter Alex Chernov, en LLNL-fysiker og en autoritet inden for krystalvækst. "Desuden, kernedannelsesprocessen i dette system er ekstremt speciel sammenlignet med, hvad der generelt er kendt om størkning, med en enkelt kritisk kerne indeholdende mindre end 100 vandmolekyler. Dette er et regime, hvor grænserne for vores fysiske forståelse bliver testet."

Den teoretiske model udviklet af teamet (som bygger på deres tidligere arbejde, offentliggjort her og her), hvilket forklarer mere end et dusin højtryksfryseeksperimenter, kan også kaste lys over anvendelsesområder, hvor meget høje nukleationshastigheder er ønskelige, såsom i materialesyntese og hukommelseslagringsteknologi.

"Forståelsen og kontrollen af ​​dynamiske sammenhænge på tværs af skalaer, der forekommer i stof taget langt fra ligevægt, er måske den vigtigste forskningsgrænse og ukendt i dag, og fremskridt på dette område vil være nøglen til kapløbet om teknologier i det 21. århundrede, " sagde medforfatter Babak Sadigh, en LLNL-fysiker og ekspert i ikke-ligevægtsfænomener. "Ved at dissekere termodynamikken og kinetikken af ​​grænseflader, der er helt nye klasser af problemer, der kan studeres, og ultimativt, kontrolleret. En hellig gral er at designe selvregulerende dynamiske systemer og maskiner, der kan bruge langt fra ligevægtsdissipativ dynamik til at udføre komplekse opgaver, som i biologiske systemer - kontrol af kernedannelse er et skridt på denne vej."

Ifølge holdet, det grundlæggende gennembrud var først muligt efter at have afvist de empiriske tilgange, som var blevet omfavnet af det bredere chokfysiksamfund indtil for nylig.

"I mere end et årti, chokkompressionssamfundet har været i tvivl om, hvad der sker i den komprimerende frysning af vand og dets observerede kinetik. Jeg tror, ​​at en fysik-baseret teori for, hvordan is VII størkner, endelig er her, i det mindste for det homogene nukleationstilfælde, " sagde Jon Belof, projektleder for kinetikforskning i fysik og udvikling af ingeniørmodeller under LLNLs Advanced Simulation and Computing-program og tilsvarende forfatter til papiret.

Fremtidigt teoretisk arbejde vil fokusere på bedre forståelse af scenariet for heterogen kernedannelse, som holdet fandt, spiller en mere fremtrædende rolle ved lavere tryk. "Det er den virkelige udfordring, " sagde Belof. "Nukleation er en sjælden begivenhed, og i princippet, det kræver kun et enkelt heterogent sted at starte det."