stringtranslate.com

Суперионная вода

Замечательной характеристикой суперионного льда является его способность действовать как проводник .

Суперионная вода , также называемая суперионным льдом или льдом XVIII , [1] представляет собой фазу воды , которая существует при чрезвычайно высоких температурах и давлениях . В суперионной воде молекулы воды распадаются, и ионы кислорода кристаллизуются в равномерно расположенную решетку, в то время как ионы водорода свободно плавают внутри кислородной решетки. [2] Свободноподвижные ионы водорода делают суперионную воду почти такой же проводимой , как и обычные металлы, что делает ее суперионным проводником . [1] Это одна из 19 известных кристаллических фаз льда . Суперионная вода отличается от ионной воды , которая представляет собой гипотетическое жидкое состояние, характеризующееся неупорядоченной смесью ионов водорода и кислорода.

Хотя теории существовали десятилетиями, первые экспериментальные доказательства существования суперионной воды появились только в 1990-х годах. Первоначальные доказательства были получены в результате оптических измерений воды, нагретой лазером , в ячейке с алмазной наковальней [3] и оптических измерений воды, подвергнутой воздействию чрезвычайно мощных лазеров. [4] Первые убедительные доказательства кристаллической структуры кислородной решетки в суперионной воде были получены в результате рентгеновских измерений воды, подвергшейся лазерному воздействию, о которых сообщалось в 2019 году. [1]

Если бы суперионный лед присутствовал на поверхности Земли , он бы быстро разгерметизировался . В мае 2019 года ученые из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) смогли синтезировать суперионный лед, подтвердив, что он почти в четыре раза плотнее обычного льда и имеет черный цвет. [5] [4] [6]

Предполагается, что суперионная вода присутствует в мантиях планет-гигантов, таких как Уран и Нептун. [7] [8]

Характеристики

По состоянию на 2013 год предполагается, что суперионный лед может иметь две кристаллические структуры. Прогнозируется, что при давлении более 50  ГПа (7 300 000 фунтов на квадратный дюйм) суперионный лед приобретет объемноцентрированную кубическую структуру. Однако при давлениях более 100 ГПа и температурах выше 2000 К прогнозируется, что структура сместится к более стабильной гранецентрированной кубической решетке. [9] Лед кажется черным. [4] [10]

История теоретических и экспериментальных данных

Демонтис и др. сделал первый прогноз суперионной воды с использованием моделирования классической молекулярной динамики в 1988 году. [11] В 1999 году Cavazzoni et al. предсказал, что такое состояние будет существовать для аммиака и воды в условиях, подобных тем, которые существуют на Уране и Нептуне . [12] В 2005 году Лоуренс Фрид возглавил команду Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, чтобы воссоздать условия формирования суперионной воды. Используя технику, включающую столкновение молекул воды между алмазами и их перегрев лазерами, они наблюдали сдвиги частот, которые указывали на то, что произошел фазовый переход . Команда также создала компьютерные модели , которые показали, что они действительно создали суперионную воду. [8] В 2013 году Хью Ф. Уилсон, Майкл Л. Вонг и Буркхард Милитцер из Калифорнийского университета в Беркли опубликовали статью, в которой предсказывается структура кубической гранецентрированной решетки, которая возникнет при более высоких давлениях. [9]

Дополнительные экспериментальные доказательства были получены Мариусом Милло и его коллегами в 2018 году, создав высокое давление на воду между алмазами, а затем сотрясая воду лазерным импульсом. [4] [13]

эксперименты 2018–2019 гг.

В 2018 году исследователи из LLNL зажали воду между двумя кусками алмаза под давлением 2500  МПа (360 000 фунтов на квадратный дюйм). Вода была сжата в лед типа VII , который на 60 процентов плотнее обычной воды. [14]

Затем сжатый лед был доставлен в Рочестерский университет , где его обстреляли импульсом лазерного света. Реакция создала условия, подобные тем, которые существуют внутри ледяных гигантов , таких как Уран и Нептун, путем нагревания льда на тысячи градусов под давлением, в миллион раз превышающим давление земной атмосферы, всего за 10–20 миллиардных долей секунды. Эксперимент пришел к выводу, что ток в проводящей воде действительно переносится ионами, а не электронами, и, таким образом, указывал на то, что вода является суперионной. [14] В более поздних экспериментах той же команды Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса использовалась рентгеновская кристаллография на каплях воды, подвергшихся лазерному воздействию, чтобы определить, что ионы кислорода переходят в гранецентрированную кубическую фазу, которая была названа льдом XVIII и описана в журнале. Природа в мае 2019 года. [1]

Существование у ледяных гигантов

Предполагается, что ледяные планеты -гиганты Уран и Нептун содержат слой суперионной воды. [15] Методы машинного обучения и свободной энергии предсказывают, что плотноупакованные суперионные фазы будут стабильными в широком диапазоне температур и давлений, а объемно-центрированная кубическая суперионная фаза будет кинетически предпочтительной, но стабильной в небольшом окне параметров. [16]

С другой стороны, есть также исследования, которые предполагают, что другие элементы, присутствующие внутри недр этих планет, в частности углерод , могут препятствовать образованию суперионной воды. [17] [18]

Приложения

Вода широко известна тем, что она существует в трех различных фазах: твердой, жидкой и газообразной, как и любое другое существующее вещество или компонент. Однако Ван. и др. обнаружили ионную фазу водяного льда под высоким давлением. Известно, что этот лед меняет свою структурную конфигурацию в зависимости от высоких и низких температур. Некоторые из крупнейших проблем промышленности решаются с использованием этих трех стандартных состояний воды, но часто операции выполняются при очень высоких и низких давлениях и температурах, и знание этого физического/структурного свойства водяного льда может помочь нам понять материал и энергетический обмен более детальным и точным способом. Можно было понять, как и насколько это изменение конфигурации влияет на результат операции. Весьма вероятно, что это может обеспечить более глубокое понимание сверхкритической воды, которая используется в промышленности. Хорошо развитое понимание этого явления может помочь нам более эффективно разрабатывать процессы/операции, избегая многих потерь. [18]

Рекомендации

  1. ^ abcd Милло, Мариус; Коппари, Федерика; Ригг, Дж. Райан; Корреа Барриос, Антонио; Амель, Себастьян; Свифт, Дамиан К.; Эггерт, Джон Х. (8 мая 2019 г.). «Наносекундная рентгеновская дифракция ударно-сжатого суперионного водяного льда». Природа . 569 (7755): 251–255. дои : 10.1038/s41586-019-1114-6. OSTI  1568026. PMID  31068720. S2CID  256768272.
  2. Странная вода, скрывающаяся внутри планет-гигантов, New Scientist, 1 сентября 2010 г., выпуск журнала 2776.
  3. ^ Гончаров, Александр Ф.; и другие. (2005). «Динамическая ионизация воды в экстремальных условиях» (PDF) . Физ. Преподобный Летт . 94 (12): 125508. doi :10.1103/PhysRevLett.94.125508. ПМИД  15903935.
  4. ^ abcd Милло, Мариус; и другие. (5 февраля 2018 г.). «Экспериментальные доказательства существования суперионного водяного льда с использованием ударного сжатия». Физика природы . 14 (3): 297–302. Бибкод : 2018NatPh..14..297M. дои : 10.1038/s41567-017-0017-4. ОСТИ  1542614. S2CID  256703104.
  5. ^ Валич, Линдси. «Экзотическая» форма льда, как твердого, так и жидкого». Университет Рочестера.
  6. Сокол, Джошуа (12 мая 2019 г.). «Причудливая форма воды может существовать по всей Вселенной». Проводной . ISSN  1059-1028 . Проверено 13 мая 2019 г.
  7. Чанг, Кеннет (5 февраля 2018 г.). «Недавно обнаруженная форма водяного льда« действительно странна »- давно предполагалось, что ее можно найти в мантиях Урана и Нептуна, но подтверждение существования суперионного льда может привести к разработке новых материалов». Нью-Йорк Таймс . Проверено 5 февраля 2018 г.
  8. ^ Аб Маррис, Эмма (22 марта 2005 г.). «Планеты-гиганты могут содержать суперионную воду». Природа . дои : 10.1038/news050321-4.
  9. ^ ab Phys.org, «Новая фаза воды может доминировать в недрах Урана и Нептуна», Лиза Зига, 25 апреля 2013 г.
  10. Сокол, Джошуа (12 мая 2019 г.). «Причудливая форма воды может существовать по всей Вселенной». Проводной . ISSN  1059-1028 . Проверено 13 мая 2019 г.
  11. ^ Демонтис, П.; и другие. (1988). «Новые фазы высокого давления льда» (PDF) . Физ. Преподобный Летт . 60 (22): 2284–2287. doi :10.1103/PhysRevLett.60.2284. ПМИД  10038311.
  12. ^ Каваццони, К.; и другие. (1999). «Суперионные и металлические состояния воды и аммиака в условиях гигантской планеты». Наука . 283 (5398): 44–46. Бибкод : 1999Sci...283...44C. дои : 10.1126/science.283.5398.44. PMID  9872734. S2CID  11938710.
  13. Сокол, Джошуа (12 мая 2019 г.). «Причудливая форма воды может существовать по всей Вселенной». Проводной . ISSN  1059-1028 . Проверено 13 мая 2019 г.
  14. ^ Аб Чанг, Кеннет (5 февраля 2018 г.). «Новая форма воды, как жидкая, так и твердая,« действительно странная »». Нью-Йорк Таймс . ISSN  0362-4331 . Проверено 13 февраля 2018 г.
  15. ^ Чарли Осолин. «Отдел по связям с общественностью: воссоздание причудливого состояния воды, обнаруженной на гигантских планетах». Llnl.gov . Проверено 24 декабря 2010 г.
  16. ^ Ченг, Бинцин; Беткенхаген, Мэнди; Пикард, Крис Дж.; Амель, Себастьян (2021). «Фазовое поведение суперионной воды в планетарных условиях». Физика природы . 17 (11): 1228–1232. arXiv : 2103.09035 . дои : 10.1038/s41567-021-01334-9. S2CID  232240463.
  17. ^ Чау, Рики; Амель, Себастьян; Неллис, Уильям Дж. (2011). «Химические процессы в глубоких недрах Урана». Нат. Коммун. 2 . Номер статьи: 203. doi : 10.1038/ncomms1198 . ПМИД  21343921.
  18. ↑ Аб Ван, Яньчао (29 ноября 2011 г.). «Частично ионная фаза водяного льда под высоким давлением». Природные коммуникации . 2 : 563. дои : 10.1038/ncomms1566 . ПМИД  22127059.