Jordens dybe kappe kan have protonfloder lavet af superioniske faser

Pierfranco Demontis sagde i 1988, "Is bliver en hurtig-ion-leder ved højt tryk og høje temperaturer, " men hans forudsigelse var kun hypotetisk indtil for nylig. Efter 30 års studier, superionisk vandis blev verificeret eksperimentelt i 2018. Superionicitet kan i sidste ende forklare det stærke magnetfelt i gigantiske planetariske indre.

Hvad med Jorden, hvis indre også er under ekstreme tryk- og temperaturforhold? Selvom tre fjerdedele af Jordens overflade er dækket af vand, selvstændigt vand eller is findes sjældent i Jordens indre. Den mest almindelige enhed af vand er hydroxyl, som er forbundet med værtsmineraler for at gøre dem til vandholdige mineraler. Her, en forskningsgruppe ledet af Dr. Qingyang Hu, Dr. Duckyoung Kim, og Dr. Jin Liu fra Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research opdagede, at et sådant vandholdigt mineral også går ind i en eksotisk superionisk fase, ligner vandis i kæmpeplaneter. Resultaterne offentliggøres i Natur Geovidenskab .

"I superionisk vand, brint frigives fra ilt og bliver væskelignende, og bevæge sig frit inden for det faste iltgitter. Tilsvarende vi studerede et vandholdigt mineral jernoxid-hydroxid (FeOOH), og hydrogenatomerne bevæger sig frit i FeO's faste iltgitter ₂ , " sagde Dr. He, hvem udførte beregningssimuleringen.

"Det udviklede sig til den superioniske fase over omkring 1700°C og 800, 000 gange normalt atmosfærisk tryk. Sådanne tryk- og temperaturforhold sikrer, at en stor del af Jordens nedre kappe kan være vært for det superioniske vandholdige mineral. Disse dybe områder kan have floder lavet af protoner, som flyder gennem de faste stoffer." tilføjede Dr. Kim.

Styret af deres teoretiske forudsigelser, holdet forsøgte derefter at verificere denne forudsagte superioniske fase i varm FeOOH ved at udføre højtemperatur- og højtrykseksperimenter ved hjælp af en laseropvarmningsteknik i en diamantamboltcelle.

"Det er teknisk udfordrende at genkende bevægelsen af ​​H-atomer eksperimentelt; dog, udviklingen af ​​O-H-binding er følsom over for Raman-spektroskopi, " sagde Dr. Hu, en af ​​hovedforfatterne. "Så, vi fulgte udviklingen af ​​O-H-bindingen og fangede denne eksotiske tilstand i sin almindelige form."

De fandt ud af, at O-H-bindingen blødgøres brat over 73, 000 gange normalt atmosfærisk tryk, sammen med ~55% svækkelse af O-H Raman-spidsintensiteten. Disse resultater indikerer, at nogle H ⁺ kan blive flyttet fra ilt og blive mobil, dermed, svækkelse af O-H-bindingen, i overensstemmelse med simuleringer. "Blødgøringen og svækkelsen af ​​O-H-bindingen ved højtryks- og stuetemperaturforhold kan kun betragtes som en forløber for den superioniske tilstand, fordi høj temperatur er påkrævet for at øge mobiliteten ud over enhedscellen, " forklarede Dr. Hou.

I superioniske materialer, der vil være en tydelig ledningsevneændring, hvilket er et robust bevis på superionisering. Holdet målte den elektriske ledningsevneudvikling af prøven ved høje temperatur- og trykforhold. De observerede en brat stigning i elektrisk ledningsevne omkring 1500-1700°C og 121, 000 gange normalt atmosfærisk tryk, hvilket indikerer, at det diffusive hydrogen havde dækket hele den faste prøve og dermed gik ind i en superionisk tilstand.

"Purit-type FeO ₂ H _x er blot det første eksempel på superioniske faser i den dybe nedre kappe, " bemærkede Dr. Liu, en medforfatter af værket. "Det er meget sandsynligt, at brint i de nyligt opdagede tætte brintbærende oxider, der er stabile under den dybe nedre kappes høje P-T-forhold, såsom tætte vandfaser, kan også udvise superionisk adfærd."