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 десятилетиями, 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] Первое убедительное свидетельство кристаллической структуры кислородной решетки в суперионной воде было получено в результате рентгеновских измерений воды, подвергшейся воздействию лазерного шока, о которых было сообщено в 2019 году. [1]
Если бы он присутствовал 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 [Обновить]год предполагается, что суперионный лед может иметь две кристаллические структуры. Предполагается, что при давлении свыше 500 000 бар (7 300 000 фунтов на кв. 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 метод, включающий разбивание молекул воды между алмазами и перегрев их с помощью лазеров, они наблюдали сдвиги частоты, 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 путем создания высокого давления на воду между бриллиантами, а затем удара по воде с помощью лазерного импульса. [4] [11]
Эксперименты 2018–2019 [ править ]
В 2018 году исследователи 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 ледяные планеты- 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 ]
- ^ a b c d Милло, Мариус; Коппари, Федерика; Ригг, Дж. Райан; Корреа Барриос, Антонио; Хамель, Себастьен; 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 .
- ↑ Странная вода, скрывающаяся внутри планет-гигантов , New Scientist, 1 сентября 2010 г., выпуск журнала 2776.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Валич, Линдси. « „ Экзотические“формы льда и твердого и жидкого» . Университет Рочестера.
- 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 .
- ^ a b Маррис, Эмма (22 марта 2005 г.). «На планетах-гигантах может находиться суперионная вода». Природа . DOI : 10.1038 / news050321-4 .
- ^ a b Phys.org, «Новая фаза воды может доминировать внутри Урана и Нептуна» , Лиза Зига, 25 апреля 2013 г.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ↑ Сокол, Джошуа (12 мая 2019 г.). «Причудливая форма воды может существовать повсюду во Вселенной» . Проводной . ISSN 1059-1028 . Дата обращения 13 мая 2019 .
- ^ 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 .
- ^ Чарли Осолин. «Офис по связям с общественностью: воссоздание причудливого состояния воды на гигантских планетах» . Llnl.gov . Проверено 24 декабря 2010 года .
- ^ Чау, Рики; Хамель, Себастьен; Неллис, Уильям Дж. (2011). «Химические процессы в глубинах Урана» . Nat. Commun. 2 . Номер статьи: 203. doi : 10.1038 / ncomms1198 . PMID 21343921 .