Forskere observerer protoner, der spiller humle i en højtryksform af is

Et internationalt team af forskere fra University College Dublin (UCD) og University of Saskatchewan, Canada, har observeret 'proton-hopping' bevægelse i en højtryksform af is (Ice VII gitter).

Sådan bevægelse kan være til stede i planetariske legemer som Venus, sammen med Jupiter, Neptun og Uranus, og deres måner; eller exoplaneter (planeter uden for solsystemet), medieret af eksterne elektriske felter.

Denne opdagelse med elektrisk ledning-i-is har potentiale til at ændre og forbedre vores forståelse af adfærd og molekylær dynamik af højtryksis i universet, i alle dens forskellige former og varierede miljøer.

Opdagelsen er blevet annonceret i en videnskabelig artikel med titlen "Mulighed for at realisere Superionic Ice VII i eksterne elektriske felter i planetariske organer, "netop udgivet i Videnskab fremskridt , en fagfællebedømt, tværfagligt, åben videnskabelig tidsskrift.

Almindelig vandis er kendt som Ice I, mens Ice VII er en kubisk krystallinsk form for is, som kan dannes af flydende vand over 3 GPa (30, 000 atmosfærer) ved at sænke temperaturen til stuetemperatur, eller ved at dekomprimere tungt vand (D ₂ O) Ice VI under 95 K.

Ice VII har en enkel struktur af to indbyrdes gennemtrængende, og effektivt uafhængige, kubisk-is undergitter, og er stabil på tværs af en vidtrækkende region over 2 GPa. I betragtning af Ice VIIs enkle struktur og stabilitet er dens betydning som potentiel kandidat til en superionisk (SI) -is fase, hvor iltatomer forbliver krystallografisk ordnet, mens protoner bliver fuldstændigt diffusive som følge af intramolekylær dissociation, har været en hypotese i et stykke tid.

Ud over, teoretiske undersøgelser indikerer mulig forekomst af SI-is i store planetmantler, såsom Uranus og Neptun, og eksoplaneter, eller dem med permanente eller forbigående elektriske felter som Venus.

Udfordringen for forskere til dato har været at realisere SI-is og opdagelsen af ​​protoner 'på hop' i Ice VII blev foretaget af professor Niall English, UCD School of Chemical and Bioprocess Engineering med sin daværende postdoktor, Dr. Zdeněk Futera, og medforfatter af papir, Professor John Tse, University of Saskatchewan.

Professor Niall engelsk, UCD School of Chemical and Bioprocess Engineering, sagde, "Vores nye fundamentale opdagelse indebærer anvendelse af elektriske felter, som fremkalder protonseparation fra deres konstituerende forældre vandmolekyler, og 'protonhoppe' af Grotthuss-typen fra det ene vandmolekyle til det næste, forskydning af protonen på den næste kæde i et spil, der ligner musikalske stole, derved etablere en elektrisk strøm eller en strøm af ladning. "

Han tilføjede, "Dette har vigtige konsekvenser for hypotetiseret Ice VII i forskellige planetariske og exo-planetariske kroppe, med permanente eller forbigående elektriske felter såsom Venus 'omgivelser og Jupiters måner, såsom (vandrig) Europa, og, især, Ganymedes. "

"Denne udvikling inden for isens fysiske kemi har potentiale til at føre til mulig spektroskopisk påvisning af eksotiske isfaser i universet."

De underliggende (ikke-ligevægts) molekylær-simuleringstilgange i eksterne elektriske felter er lovende med hensyn til deres potentielle anvendelse til at designe overlegne ladningstransportmaterialer til solid-state-enhedsfysik.

Dr. Zdeněk Futera, nu ved University of South Bohemia, Tjekkiet sagde, "Udnytter igangværende forskningssamarbejdsprogrammer med professor John Tse, University of Saskatchewan, vi har etableret en god teoretisk forståelse af elektriske felters molekylære manipulation af protoners ledning, hvilket bidrager til vores mikroskopiske viden om ladestrøm. "

Professor John Tse, Institut for Fysik og Ingeniørfysik, University of Saskatchewan, sagde, "Vores arbejde belyser den atomistiske og elektroniske oprindelse for SI -adfærd i Ice VII, som efterligner de seneste laser-shockwave-eksperimenter med Ice XVIII af Millot og medarbejdere, der blev offentliggjort i Natur for et år siden. I universet, vi bemærker, at Venus har et permanent elektrisk felt, som kan forventes at påvirke den mikroskopiske adfærd af alt vand derpå kraftigt. "

"Forklaringen redegør også for, hvorfor disse protoner kan ses at hoppe med, når et elektrisk felt påføres. Således kan denne undersøgelse er i stand til at give en klar og konsekvent forklaring på et tidligere forvirrende problem - 'hvordan og hvorfor' for at gøre is til superionisk. "

Professor engelsk konkluderede, "Vi vil gerne anerkende High-Performance-Computing-support og -faciliteter, der tilbydes på UCD samt kollegialiteten hos visionære praktiserende læger i det isfysiske globale samfund."