Vand, der udviser bizarre metastabile fænomener, når det komprimeres eller afkøles hurtigt

Ny forskning, der involverer forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) viser, at vand kan forblive flydende i en metastabil tilstand, når det går fra flydende til en tæt form for is ved højere tryk end tidligere målt.

Vand under ekstreme forhold har tiltrukket sig opmærksomhed på det seneste på grund af dets komplekse fasediagram, herunder superioniske isfaser med eksotiske egenskaber, der eksisterer ved høje tryk og tætheder. Til dato, 20 unikke krystallinske isfaser er fundet naturligt på Jorden eller i laboratoriet. Vand udviser også bizarre metastabile fænomener, når det komprimeres eller afkøles meget hurtigt, som har tiltrukket sig interesse fra fysikere verden over i mange år.

"Hvis vandet komprimeres meget hurtigt, det vil forblive flydende i en metastabil tilstand, indtil det endelig krystalliserer til is VII ved et højere tryk end forventet, " sagde Michelle Marshall, en forsker ved Laboratory for Laser Energetics (LLE) ved University of Rochester, en tidligere LLNL postdoc og hovedforfatter af undersøgelsen, der optræder i Fysisk gennemgangsbreve .

Is VII er den stabile polymorf af vand ved stuetemperatur og ved tryk, der overstiger ~2 GPa (mere end 19, 000 atmosfærer]. For nylig, is VII blev fundet naturligt på Jorden for første gang som indeslutninger i diamanter hentet dybt inde i kappen. Det kan eksistere inde i Jupiters iskolde måner og i vandverdener uden for vores solsystem.

Den nye forskning viste, hvordan vand kan forblive flydende i en metastabil tilstand, når det gennemgår væske-til-is-VII-overgangen ved højere tryk end tidligere målt. Tidligere eksperimentelt arbejde på det gigantiske pulserende Z-anlæg viste, at det komprimerede vand omdannes til is VII ved 7 GPa (69, 000 atmosfærer), når vandet er rampekomprimeret over hundreder af nanosekunder. De nye eksperimenter skiftede i stedet til at bruge højeffektlasere på Omega Laser Facility til at komprimere vand over endnu kortere tidsskalaer (nanosekunder).

Ligesom i tidligere LLNL-arbejde med guld (Au) og platin (Pt), det sværeste er at komprimere vandet blidt nok til at undgå at danne en stødbølge, der ville ødelægge eksperimentet (dvs. at realisere en stødfri rampekompression). Fordi vand er meget mere komprimerbart end metaller som Au og Pt, at skabe en rampekompressionsbølge i et mikrometertyndt vandlag kræver en forøgelse af trykbelastningen med en meget langsommere hastighed.

"Selvom de tryk, vi opnår, virker meget beskedne sammenlignet med andre laserdrevne ultrahurtige dynamiske kompressionseksperimenter, disse ekstremt vanskelige eksperimenter er virkelig på grænsen til, hvad vi kan gøre med gigantiske lasere, og det var en spændende udfordring, " sagde LLNL videnskabsmand og medforfatter Marius Millot.

De nye data afslører, at vand kan forblive flydende til mindst 8-9 GPa (79, 000-89, 000 atmosfærer) før krystallisering til is VII:frysetrykket stiger med kompressionshastigheden.

"Det betyder, at vand kan forblive flydende til mindst 3,5 gange højere tryk end forventet baseret på ligevægtsfasediagrammet, " sagde Marshall. "Det er virkelig pænt at tænke på, at vi komprimerer det så hurtigt, at vandet ikke når at krystallisere, så det forbliver flydende."

"Vi er på grænsen til eksperimentel ultrahurtig videnskab, " sagde Marshall, "og det var fantastisk at samarbejde med vores teori- og simuleringskolleger for at få et mere detaljeret billede af, hvad der foregik. Det er bemærkelsesværdigt, at de seneste teoretiske og numeriske fremskridt nu giver en detaljeret forståelse af de observerede fænomener. Dette kunne have betydning for vores generelle forståelse af fasetransformationer under ekstreme forhold."

Dette arbejde er en del af en bredere indsats for at forstå faseovergangskinetik i dynamisk komprimerede materialer. Vandets allestedsnærværende natur og dets komplekse fasediagram gør væske-til-is-VII faseovergangen til et interessant testleje til faseovergangskinetikmodellering. SAMSA, en LLNL-udviklet kinetikmodel, giver en detaljeret forståelse af de eksperimentelle resultater, mens den er afhængig af det grundlæggende simple billede af homogen nukleering ved hjælp af klassisk nukleationsteori.

I store træk, dette arbejde hjælper med at forbedre materialemodeller og forståelse, som kunne have interessante implikationer for andre centrale forskningsområder på laboratoriet, såsom avanceret fremstilling og 3D-print. Metastabile tilstande og kompleks krystallisering af vand er også nøglen til atmosfærisk videnskab og derfor for klimasikkerhed.