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]
По состоянию на 2013 год [обновлять]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]
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]
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]
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]
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]