Kæmpe lasere krystalliserer vand med chokbølger, afslører atomstrukturen af ​​superionisk is

Forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) brugte gigantiske lasere til at flashfryse vand ind i sin eksotiske superioniske fase og registrere røntgendiffraktionsmønstre for at identificere dets atomstruktur for allerførste gang-alt på bare et par milliarddeler af et sekund. Resultaterne rapporteres i dag i Natur .

I 1988, forskere forudsagde først, at vand ville overgå til en eksotisk tilstand af stof præget af sameksistensen af ​​et fast iltgitter af ilt og væskelignende brint-superionisk is-når det udsættes for det ekstreme pres og temperaturer, der findes i det indre af en vandrig kæmpe planeter som Uranus og Neptun. Disse forudsigelser forblev gældende indtil 2018, da et team ledet af forskere fra LLNL fremlagde de første eksperimentelle beviser for denne mærkelige vandtilstand.

Nu, LLNL -forskerne beskriver nye resultater. Brug af laserdrevne chokbølger og in-situ røntgendiffraktion, de observerer kimdannelsen af ​​et krystallinsk iltgitter på få milliarder af et sekund, afslører for første gang den mikroskopiske struktur af superionisk is.

Dataene giver også yderligere indsigt i isgigantplanets indre struktur.

"Vi ville bestemme atomstrukturen i superionisk vand, "sagde LLNL -fysiker Federica Coppari, medlederforfatter af papiret. "Men i betragtning af de ekstreme forhold, hvor denne undvigende tilstand af materie forudsiges at være stabil, at komprimere vand til sådanne tryk og temperaturer og samtidig tage øjebliksbilleder af atomstrukturen var en ekstremt vanskelig opgave, hvilket krævede et innovativt eksperimentelt design. "

Forskerne udførte en række eksperimenter på Omega Laser Facility ved University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics (LLE). De brugte seks kæmpe laserstråler til at generere en sekvens af chokbølger med gradvist stigende intensitet til at komprimere et tyndt lag oprindeligt flydende vand til ekstreme tryk (100-400 gigapascal (GPa), eller 1-4 millioner gange Jordens atmosfæriske tryk) og temperaturer (3, 000-5, 000 grader Fahrenheit).

"Vi designet eksperimenterne til at komprimere vandet, så det ville fryse til fast is, men det var ikke sikkert, at iskrystallerne rent faktisk ville danne og vokse i løbet af de få milliarder af et sekund, at vi kan holde tryk-temperatur betingelserne, "sagde LLNL-fysiker og medlederforfatter Marius Millot.

For at dokumentere krystallisationen og identificere atomstrukturen, holdet sprængte en lille jernfolie med 16 ekstra laserpulser for at skabe et varmt plasma, som genererede et glimt af røntgenstråler præcist tidsbestemt til at belyse den komprimerede vandprøve, når den en gang blev bragt ind i det forudsagte stabilitetsdomæne for superionisk is.

"De røntgendiffraktionsmønstre, vi målte, er en entydig signatur for tætte iskrystaller, der dannes under den ultrahurtige stødbølgekompression, hvilket viser, at nukleation af fast is fra flydende vand er hurtig nok til at blive observeret i nanosekundets tidsskala for eksperimentet, "Sagde Coppari.

"I det tidligere arbejde kunne vi kun måle makroskopiske egenskaber som intern energi og temperatur, "Millot tilføjet." Derfor, vi designede et nyt og anderledes eksperiment for at dokumentere atomstrukturen. At finde direkte bevis for eksistensen af ​​krystallinsk iltgitter bringer den sidste manglende brik til puslespillet om eksistensen af ​​superionisk vandis. Dette giver yderligere styrke til beviserne for eksistensen af ​​superionisk is, vi indsamlede sidste år. "

Analyse af hvordan røntgendiffraktionsmønstrene varierede for de forskellige eksperimenter, der undersøgte øget tryk og temperaturforhold, teamet identificerede en faseovergang til en tidligere ukendt ansigtscentreret-kubisk (f.c.c.) atomstruktur for tæt vandis.

"Vand vides at have mange forskellige krystallinske strukturer kendt som is Ih, II, III, op til XVII, "Sagde Coppari." Så, foreslår vi at kalde den nye f.c.c. fast form 'is XVIII.' Computersimuleringer har foreslået en række forskellige mulige krystallinske strukturer for superionisk is. Vores undersøgelse giver en kritisk test af numeriske metoder. "

Holdets data har dybe konsekvenser for den indre struktur af isgigantplaneter. Da superionisk is i sidste ende er et fast stof, tanken om, at disse planeter har et ensartet hurtigt konvekterende væskelag, holder ikke længere.

"Fordi vandis ved Uranus og Neptuns indre forhold har et krystallinsk gitter, vi argumenterer for, at superionisk is ikke bør flyde som en væske, såsom den flydende jern ydre kerne på jorden. Hellere, det er nok bedre at forestille sig, at superionisk is ville flyde på samme måde som Jordens kappe, som er lavet af massiv sten, alligevel flyder og understøtter konvektive bevægelser i stor skala på de meget lange geologiske tidsskalaer, "Millot sagde." Dette kan dramatisk påvirke vores forståelse af den indre struktur og udviklingen af ​​de iskolde kæmpe planeter, samt alle deres talrige ekstrasolære fætre. "