WikiDer > Суперионная вода

Superionic water

Суперионный лед в покое
При отсутствии заявленного электрическое поле, H+ ионы размытый в O2- решетка.
Суперионный лед, проводящий протоны в электрическом поле
При приложении электрического поля H+ ионы мигрируют к анод.
Замечательной характеристикой суперионного льда является его способность действовать как дирижер.

Суперионная вода, также называемый суперионный лед или же лед XVIII[1] это фаза из воды что существует на очень высоком уровне температуры и давление. В суперионной воде молекулы воды распадаются и ионы кислорода кристаллизоваться в равномерно расположенную решетку, а ионы водорода свободно плавают в кислородной решетке.[2] Свободно подвижные ионы водорода делают суперионную воду почти как проводящий как типичные металлы, что делает его суперионный проводник.[1] Это один из 18 известных кристаллических фазы льда.Суперионная вода отличается от ионная вода, которое представляет собой гипотетическое жидкое состояние, характеризующееся неупорядоченным супом из ионов водорода и кислорода.

Теоретически это предполагалось в течение десятилетий, но только в 1990-х годах появились первые экспериментальные доказательства существования суперионной воды. Первоначальные доказательства были получены в результате оптических измерений нагреваемой лазером воды в ячейке с алмазной наковальней.[3] и от 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 присутствовал на поверхности земной шар, суперионный лед быстро распаковать. В мае 2019 года ученые из Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора (LLNL) смогли синтезировать суперионный лед, подтвердив, что он почти в четыре раза плотнее обычного льда и имеет черный цвет.[5][6] Теоретически суперионная вода присутствует в мантии планет-гигантов, таких как Уран и Нептун.[7][8]

Характеристики

По состоянию на 2013 год, предполагается, что суперионный лед может иметь две кристаллические структуры. При давлении, превышающем 500 000 бар (7 300 000 фунтов на кв. Дюйм), предполагается, что суперионный лед приобретет объемно-центрированный кубический структура. Однако при давлении, превышающем 1000000 бар (15000000 фунтов на квадратный дюйм), прогнозируется, что конструкция сместится к более стабильной. гранецентрированная кубическая решетка.[9]

История теоретических и экспериментальных данных

Demontis et al. сделал первый прогноз для суперионной воды с помощью моделирования классической молекулярной динамики в 1988 году.[10]В 1999 году Cavazzoni et al. предсказал, что такое состояние будет существовать аммиак и воды в условиях, подобных тем, которые существуют на Уран и Нептун.[11] В 2005 году Лоуренс Фрид возглавил команду в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, чтобы воссоздать условия формирования суперионной воды. Использование техники разбивания молекул воды между бриллианты и супер нагревая его лазеры они наблюдали частотные сдвиги, которые указывали на то, что фаза перехода произошло. Команда также создала компьютерные модели что указывало на то, 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 предсказывали гранецентрированная кубическая решетчатая структура, которая возникнет при более высоких давлениях.[9]

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][12]

2018–2019 эксперименты

В 2018 году исследователи LLNL сжимали воду между двумя кусками алмаза под давлением 360000psi (25000 бар). Вода была выжата в лед типа VII которая на 60 процентов плотнее обычной воды.[13]

Затем сжатый лед транспортировали в Университет Рочестера где он был взорван импульсом лазерного света. Реакция создала условия, подобные тем, что внутри ледяные гиганты такие как Уран и Нептун, нагревая лед 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.[13] Более свежие эксперименты от того же Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора команда использовала рентгеновскую кристаллографию на каплях воды, подвергшихся воздействию лазерного излучения, чтобы определить, что ионы кислорода входят в гранецентрированную кубическую фазу, которая была названа льдом XVIII и опубликована в журнале. Природа в мае 2019 года.[1]

Существование в ледяных гигантах

Предполагается, что ледяной гигант планеты Уран и Нептун держите слой суперионной воды.[14] Но есть также исследования, которые предполагают, что внутри этих планет присутствуют другие элементы, в частности углерод, может предотвратить образование суперионной воды.[15]

Рекомендации

  1. ^ а б 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. Дои:10.1038 / s41586-019-1114-6. OSTI 1568026. PMID 31068720.
  2. ^ Странная вода скрывается на планетах-гигантах, New Scientist, 01 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. Дои:10.1103 / PhysRevLett.94.125508. PMID 15903935.
  4. ^ а б Милло, Мариус; и другие. (5 февраля 2018 г.). «Экспериментальные доказательства суперионного водяного льда с использованием ударного сжатия». Природа Физика. 14 (3): 297–302. Bibcode:2018НатФ..14..297M. Дои:10.1038 / s41567-017-0017-4. OSTI 1542614.
  5. ^ Валич, Линдси. "'Экзотическая форма льда, твердого и жидкого ». Университет Рочестера.
  6. ^ Сокол, Джошуа. «Черный горячий лед может быть самой распространенной природой воды». QuantaMagazine. Получено 15 мая 2019.
  7. ^ 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. Получено 5 февраля 2018.
  8. ^ а б Маррис, Эмма (22 марта 2005 г.). «На планетах-гигантах может находиться суперионная вода». Природа. Дои:10.1038 / news050321-4.
  9. ^ а б Phys.org, «Новая фаза воды может доминировать внутри Урана и Нептуна», Лиза Зыга, 25 апреля 2013 г.
  10. ^ Demontis, P .; и другие. (1988). «Новые фазы льда высокого давления» (PDF). Phys. Rev. Lett. 60 (22): 2284–2287. Дои:10.1103 / PhysRevLett.60.2284. PMID 10038311.
  11. ^ Cavazzoni, C .; и другие. (1999). «Суперионные и металлические состояния воды и аммиака в условиях гигантской планеты». Наука. 283 (5398): 44–46. Bibcode:1999Научный ... 283 ... 44C. Дои:10.1126 / science.283.5398.44. PMID 9872734. S2CID 11938710.
  12. ^ Сокол, Джошуа (12 мая 2019 г.). «Причудливая форма воды может существовать во всей Вселенной». Проводной. ISSN 1059-1028. Получено 13 мая 2019.
  13. ^ а б Чанг, Кеннет (5 февраля 2018 г.). «Новая форма воды, как жидкой, так и твердой, действительно странная'". Нью-Йорк Таймс. ISSN 0362-4331. Получено 13 февраля 2018.
  14. ^ Чарли Осолин. «Офис по связям с общественностью: воссоздание причудливого состояния воды на гигантских планетах». Llnl.gov. Получено 24 декабря 2010.
  15. ^ Чау, Рики; Хамель, Себастьен; Неллис, Уильям Дж. (2011). «Химические процессы в глубоких недрах Урана». Nat. Commun. 2. Номер статьи: 203. Дои:10.1038 / ncomms1198. PMID 21343921.