Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Суперионный лед, проводящий протоны в электрическом поле
При приложении электрического поля ионы H + перемещаются к аноду .
Замечательной характеристикой суперионного льда является его способность действовать как проводник .

Суперионный вода , также называемая суперионный льда или лед XVIII [1] является фазой из воды , которая существует при экстремально высоких температур и давлений . В суперионной воде молекулы воды распадаются, и ионы кислорода кристаллизуются в равномерно распределенную решетку, в то время как ионы водорода свободно плавают внутри кислородной решетки. [2] Свободно подвижные ионы водорода делают суперионную воду почти такой же проводящей, как и обычные металлы, что делает ее суперионным проводником . [1] Это один из 18 известных кристаллическихфазы льда . Суперионная вода отличается от ионной воды , которая представляет собой гипотетическое жидкое состояние, характеризующееся неупорядоченным супом из ионов водорода и кислорода.

Теоретически это предполагалось на протяжении десятилетий, но только в 1990-х годах появились первые экспериментальные доказательства существования суперионной воды. Первоначальные доказательства были получены в результате оптических измерений нагретой лазером воды в ячейке с алмазной наковальней [3] и оптических измерений воды, подвергшейся воздействию чрезвычайно мощных лазеров. [4] Первые убедительные доказательства кристаллической структуры кислородной решетки в суперионной воде были получены в результате рентгеновских измерений воды, подвергшейся воздействию лазерного шока, о которых было сообщено в 2019 году. [1]

Если бы он находился на поверхности Земли , суперионный лед бы быстро распадался . В мае 2019 года ученые Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) смогли синтезировать суперионный лед, подтвердив, что он почти в четыре раза плотнее обычного льда. [5] Теоретически суперионная вода присутствует в мантии планет-гигантов, таких как Уран и Нептун. [6] [7]

Свойства [ править ]

По состоянию на 2013 год предполагается, что суперионный лед может иметь две кристаллические структуры. Предполагается, что при давлении свыше 500 000 бар (7 300 000 фунтов на квадратный дюйм) суперионный лед приобретет объемно-центрированную кубическую структуру. Однако при давлениях, превышающих 1 000 000 бар (15 000 000 фунтов на квадратный дюйм), предполагается, что структура сместится к более стабильной гранецентрированной кубической решетке. [8]

История теоретических и экспериментальных данных [ править ]

Demontis et al. сделал первый прогноз для суперионной воды, используя моделирование классической молекулярной динамики в 1988 году. [9] 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 . [10] В 2005 году Лоуренс Фрид возглавил команду Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, чтобы воссоздать условия формирования суперионной воды. Используя технику, включающую разбивание молекул воды между алмазами и перегрев их с помощью лазеров, они наблюдали частотные сдвиги, которые указывали на фазовый переходпроизошло. Команда также создала компьютерные модели, которые показали, что они действительно создали суперионную воду. [7] В 2013 году Хью Ф. Уилсон, Майкл Л. Вонг и Буркхард Милитцер из Калифорнийского университета в Беркли опубликовали статью, предсказывающую структуру гранецентрированной кубической решетки, которая возникнет при более высоких давлениях. [8]

Дополнительные экспериментальные доказательства были обнаружены Мариусом Миллотом и его коллегами в 2018 году, когда вода оказывалась под высоким давлением между бриллиантами, а затем подвергалась воздействию электрошока с помощью лазерного импульса. [4] [11]

Эксперименты 2018–2019 [ править ]

В 2018 году исследователи из LLNL сжимали воду между двумя кусками алмаза под давлением 360 000  фунтов на квадратный дюйм (25 000 бар). Воду выдавливали в лед типа VII, который на 60 процентов плотнее обычной воды. [12]

Затем сжатый лед был доставлен в Университет Рочестера, где он был взорван импульсом лазерного света. Реакция создала условия, подобные тем, которые существуют внутри ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун, за счет нагрева льда на тысячи градусов под давлением, в миллион раз превышающим земную атмосферу, 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, указывает на то, что вода является суперионной. [12] Более поздние эксперименты той же Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса.Команда использовала рентгеновскую кристаллографию на каплях воды, подвергшихся воздействию лазерного излучения, чтобы определить, что ионы кислорода входят в гранецентрированную кубическую фазу, которую назвали льдом XVIII, о чем сообщалось в журнале Nature в мае 2019 года [1].

Существование в ледяных гигантах [ править ]

Предполагается, что планеты- ледяные гиганты Уран и Нептун содержат слой суперионной воды. [13] Но есть также исследования, которые предполагают, что другие элементы, присутствующие внутри этих планет, особенно углерод , могут препятствовать образованию суперионной воды. [14]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Милло, Мариус; Коппари, Федерика; Ригг, Дж. Райан; Корреа Барриос, Антонио; Амель, Себастьян; Свифт, Дамиан С .; Эггерт, Джон Х. (8 мая 2019 г.). «Наносекундная рентгеновская дифракция ударно-сжатого суперионного водяного льда» . Природа . 569 (7755): 251–255. DOI : 10.1038 / s41586-019-1114-6 . ОСТИ  1568026 . PMID  31068720 .
  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) . Phys. Rev. Lett . 94 (12): 125508. DOI : 10,1103 / PhysRevLett.94.125508 . PMID 15903935 .  
  4. ^ a b Милло, Мариус; и другие. (5 февраля 2018 г.). «Экспериментальные доказательства суперионного водяного льда с использованием ударного сжатия» . Физика природы . 14 (3): 297–302. Bibcode : 2018NatPh..14..297M . DOI : 10.1038 / s41567-017-0017-4 . ОСТИ 1542614 . 
  5. ^ Валич, Линдси. « „ Экзотические“формы льда и твердого и жидкого» . Рочестерский университет.
  6. Рианна Чанг, Кеннет (5 февраля 2018 г.). «Недавно обнаруженная форма водяного льда« действительно странная »- долгое время предполагалось, что ее можно найти в мантии Урана и Нептуна, подтверждение существования суперионного льда может привести к разработке новых материалов» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 5 февраля 2018 .
  7. ^ a b Маррис, Эмма (22 марта 2005 г.). «На планетах-гигантах может находиться суперионная вода». Природа . DOI : 10.1038 / news050321-4 .
  8. ^ a b Phys.org, «Новая фаза воды может доминировать внутри Урана и Нептуна» , Лиза Зайга, 25 апреля 2013 г.
  9. ^ Demontis, P .; и другие. (1988). «Новые фазы льда высокого давления» (PDF) . Phys. Rev. Lett . 60 (22): 2284–2287. DOI : 10.1103 / PhysRevLett.60.2284 . PMID 10038311 .  
  10. ^ Cavazzoni, C .; и другие. (1999). «Суперионные и металлические состояния воды и аммиака в условиях гигантской планеты». Наука . 283 (5398): 44–46. Bibcode : 1999Sci ... 283 ... 44C . DOI : 10.1126 / science.283.5398.44 . PMID 9872734 . S2CID 11938710 .  
  11. ↑ Сокол, Джошуа (12 мая 2019 г.). «Причудливая форма воды может существовать повсюду во Вселенной» . Проводной . ISSN 1059-1028 . Дата обращения 13 мая 2019 . 
  12. ^ a b Чанг, Кеннет (5 февраля 2018 г.). «Новая форма воды, как жидкой, так и твердой,« действительно странная » » . Нью-Йорк Таймс . ISSN 0362-4331 . Проверено 13 февраля 2018 . 
  13. ^ Чарли Осолин. «Офис по связям с общественностью: воссоздание причудливого состояния воды на гигантских планетах» . Llnl.gov . Проверено 24 декабря 2010 года .
  14. ^ Чау, Рики; Амель, Себастьян; Неллис, Уильям Дж. (2011). «Химические процессы в глубоких недрах Урана» . Nat. Commun. 2 . Номер статьи: 203. doi : 10.1038 / ncomms1198 . PMID 21343921 .