Bryder de stærkeste kemiske bindinger med laserchokkompression

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere opnåede for nylig termodynamiske data med høj præcision om varmt tæt nitrogen under ekstreme forhold, der kunne føre til en bedre forståelse af det indre af himmellegemer som hvide dværge og exoplaneter.

Holdet, som omfatter forskere fra University of California, Berkeley og University of Rochester, brugte en avanceret teknik, der kombinerer præ-kompression i en diamantamboltcelle og laserdrevet stødkompression ved Omega Laser Facility ved University of Rochester .

Molekyler af nitrogen (N₂ ) udgør 78 % af den luft, vi indånder. De er unikke, fordi de to nitrogenatomer i N₂ er bundet med en tredobbelt kovalent binding, som er den stærkeste af alle simple diatomiske molekyler. Nitrogen er også en vigtig bestanddel af himmellegemer i det ydre solsystem og videre. For eksempel ammoniak (NH₃ ) storme menes at eksistere i gigantiske planeter som Jupiter, mens dværgplaneten Pluto, Saturns iskolde måne Titan og Neptuns iskolde måne Triton har N₂ -rige atmosfærer.

Tidligere undersøgelser med denne kraftfulde teknik afslørede eksperimentelle beviser for superionisk vandis og heliumregn i gasgigantiske planeter. I den nye forskning udførte holdet chokeksperimenter på prækomprimeret molekylær nitrogenvæske op til 800 GPa (~8 millioner atmosfærer) tryk.

De observerede klare signaturer for fuldførelsen af ​​molekylær dissociation nær 70-100 GPa og 5-10 kK (tusindvis af kelvin) og begyndelsen af ​​ionisering for de yderste elektroner over 400 GPa og 50 kK.

"Det er meget spændende, at vi kan bruge chokbølger til at bryde disse molekyler og forstå, hvordan tryk og tæthed inducerer ændringer i kemisk binding," sagde LLNL-fysiker Yong-Jae Kim, hovedforfatter til et papir, der vises i Physical Review Letters . "At studere, hvordan man bryder nitrogenmolekyler, og hvordan man frigør elektroner er en fantastisk test for de mest avancerede computersimuleringer og teoretisk modellering."

Holdet teoretiserede også, at undersøgelse af nitrogen kunne hjælpe med at låse op for nogle af mysterierne vedrørende brintmolekylers adfærd i det tidlige stadie af inertial indeslutning fusionsimplosioner ved National Ignition Facility.

"Mens nitrogen og brint begge er lette diatomiske molekyler, er brintatomer så små, at det er meget komplekst at gengive deres adfærd under ekstremt tryk og temperatur med computersimuleringer," sagde Kim.

Holdet kiggede nærmere på sammenligningen mellem de eksperimentelle data i den nye forskning og de tilsvarende simulerede tryk-densitetskurver med udgangspunkt i forskellige indledende tætheder. Sammenligningen gav yderligere tillid til computersimuleringernes evne ved hjælp af densitetsfunktionelle teori (DFT) molekylær dynamik teknik til nøjagtigt at fange de subtile kvantefysiske ændringer i materialeegenskaber under disse tidligere udokumenterede forhold. De nye data løste især en forvirrende uoverensstemmelse mellem tidligere eksperimenter med varmt tæt nitrogen og forudsigelser baseret på resultaterne af DFT-simuleringerne.

"Vi viste, at tæthedsfunktionel teori fungerer rigtig godt til at beskrive vores eksperimenter. Dette er en meget stringent og nyttig test," sagde Kim.

Forskningen er en del af et Laboratory Directed Research and Development (LDRD) projekt til udvikling af nye laserdrevne eksperimentelle dynamiske kompressionsteknikker med diamantamboltcelle (DAC) mål. Disse teknikker kunne optrevle nye fysik- og kemifænomener i blandinger med lavt atomnummer, såsom dem, der er rige på vand, over en bred vifte af hidtil usete tryk-temperatur-densitetsforhold. The research has implications for planet formation and evolution and provide insights into the properties of matter under extreme conditions.

In particular, Kim is now leading experiments to develop the use of DAC targets at the National Ignition Facility. This could help further study nitrogen and unravel new exotic phenomena at much lower temperatures, linked to the 1980s observation of shock-induced cooling and the 2010s prediction of a first-order transition between molecular and polymeric nitrogen fluids below 2,000 K.

"There are a lot more things we can learn from this kind of laser dynamic compression experiments," said Marius Millot, a LLNL principal investigator of the LDRD project and the senior author of the paper. "This is a very exciting field with multiple opportunities to develop innovative measurement and unravel matter's response to extreme conditions. This is key to interpret astronomical observations and better understand the formation and evolution of celestial objects such as white dwarfs and exoplanets." + Udforsk yderligere

Experiments validate the possibility of helium rain inside Jupiter and Saturn