Water met een ongewone vorm is misschien de meest voorkomende in het universum.

Onlangs in het laboratorium voor laserenergie inBrighton, New York, een van de krachtigste lasers ter wereld, trof een druppel water en creëerde een schokgolf die de druk in dit water opliep tot miljoenen atmosferen en de temperatuur tot duizenden graden. Röntgenfoto's die door deze daling in dezelfde fractie van een seconde gingen, toonden de eerste glimp van water voor de mensheid in dergelijke extreme omstandigheden. Ze toonden aan dat het water in de schokgolf geen oververhitte vloeistof of gas werd. Nee, het water is bevroren.

Paradoxaal genoeg bevroor de atomen van water om kristallijn ijs te vormen. Echter, zoals de natuurkundigen veronderstelden, loensend naar de schermen in de volgende kamer.

"Je hoort het schot en op hetzelfde moment zie je dater gebeurde iets interessants ", zegt Marius Millo van het Livermore National Laboratory. Lawrence, die het experiment met Federica Coppari leidde.

Wat gebeurt er met water bij hoge druk en temperatuur?

De resultaten van dit artikel, gepubliceerd op dezeEen week in de natuur bevestigt het bestaan ​​van 'superionisch ijs', een nieuwe fase van water met mooie eigenschappen. In tegenstelling tot ijs dat u kent, dat in de vriezer of op de noordpool te vinden is, is superionisch ijs zwart en heet. De kubus van dergelijk ijs woog vier keer meer dan normaal. Voor het eerst werd zijn bestaan ​​meer dan 30 jaar geleden voorspeld, en hoewel het nog nooit eerder is gezien, geloven wetenschappers dat het een van de meest voorkomende soorten water in het heelal kan zijn.

Zelfs in het zonnestelsel is het grootste deel van het water,waarschijnlijk in de vorm van superionisch ijs - in de diepten van Uranus en Neptunus. Het is meer dan vloeibaar water in de oceanen van de aarde, Europa en Enceladus. De ontdekking van superionisch ijs kan oude raadsels over de samenstelling van deze "ijsreuzen" oplossen.

Wetenschappers hebben achttien verbazingwekkend al ontdektijskristal-architecturen, inclusief de hexagonale rangschikking van watermoleculen in gewoon ijs (Ih). Na ijs-I, dat uit twee vormen bestaat, Ih en Ic, zijn de andere vormen genummerd van II tot XVII in de volgorde van openen. Ja, "ice-9" bestaat eigenlijk, maar de eigenschappen zijn helemaal niet hetzelfde als in de roman Cat's Cradle van Kurt Vonnegut.

Superionisch ijs kan mantel claimenIce XVIII. Dit is een nieuw kristal, maar er zit één ding in. Alle eerder bekende waterijsjes bestaan ​​uit intacte watermoleculen, waarin één zuurstofatoom gebonden is aan twee waterstofatomen. Maar superionijs, zoals nieuwe metingen laten zien, is niet zo. Het bestaat in een soort surrealistisch lidmaat, halfvast, half vloeibaar. Afzonderlijke watermoleculen vallen uiteen. Zuurstofatomen vormen een kubisch rooster, maar waterstofatomen stromen vrij en stromen als een vloeistof door een stijve zuurstofcel.

Specialisten zeggen de detectie van het superionischeIJs rechtvaardigt computervoorspellingen die materiële wetenschappers kunnen helpen toekomstige stoffen met individuele eigenschappen te creëren. En de detectie van dit ijs vereiste ultrasnelle metingen en nauwkeurige regeling van temperatuur en druk, wat alleen mogelijk was met verbeterde experimentele methoden.

"Het was allemaal onmogelijk om te zeggen, vijfjaar geleden, "zegt Christoph Salzmann van University College London, die het ijs XIII, -XIV en XV opende. "Het zal zeker een enorme impact hebben."

Natuurkundige Libië Bove van het National Center for ScientificFranse studies zijn van mening dat, aangezien watermoleculen uiteenvallen, dit geen geheel nieuwe fase van water is. "Dit is een nieuwe staat van materie, wat behoorlijk indrukwekkend is."

Puzzels op ijs

Natuurkundigen jagen al jaren op superionisch ijs -sinds de primitieve computersimulatie van Pierfranco Demontis in 1988 voorspelde dat water deze vreemde, bijna metaalachtige vorm zou aannemen als het uit de kaart van de bekende ijsfasen zou worden geduwd.

De simulatie toonde dat onder sterke druken de hitte van het watermolecuul wordt vernietigd. Zuurstofatomen zitten ingesloten in een kubusvormig rooster en "waterstof begint steeds weer van de ene positie in het kristal naar het andere te springen", zegt Millo. Deze sprongen tussen roosterplaatsen zijn zo snel dat waterstofatomen - die geïoniseerd zijn, in feite in positief geladen protonen veranderen - zich als een vloeistof gedragen.

Er is gesuggereerd dat superionijszal elektriciteit geleiden zoals een metaal, en waterstof zal de rol van elektronen spelen. De aanwezigheid van deze vrije waterstofatomen zal ook de stoornis van ijs, de entropie ervan, verbeteren. Op zijn beurt zal een toename van entropie ijs stabieler maken dan andere soorten ijskristallen, met als gevolg dat het smeltpunt zal stijgen.

Het is allemaal gemakkelijk voor te stellen, geloof het -moeilijk. De eerste modellen gebruikten vereenvoudigde fysica, waarbij ze de quantum-aard van echte moleculen doorkruisten. Latere simulaties voegden meer kwantumeffecten toe, maar omzeilden nog steeds de feitelijke vergelijkingen die nodig waren om de interactie van verschillende kwantumlichamen te beschrijven, wat te moeilijk is om te berekenen. In plaats daarvan vertrouwden ze op benaderingen, waardoor de kans groter werd dat het hele scenario een fata morgana zou worden in de simulatie. De experimenten konden ondertussen niet de nodige druk creëren en genoeg warmte genereren om deze sterke stof te laten smelten.

En wanneer iedereen deze onderneming al heeft verlaten, planetologenuitten hun eigen vermoedens dat water een superionische fase van ijs kan hebben. Ongeveer op hetzelfde moment dat deze fase voor het eerst werd voorspeld, ging de Voyager-2-sonde het buitenste zonnestelsel in en ontdekte iets vreemds in de magnetische velden van de ijsreuzen Uranus en Neptunus.

De velden rond de andere planeten van het zonnestelsel,blijkbaar bestaan ​​uit strikt gedefinieerde noord- en zuidpolen, zonder specifieke andere structuur. Het lijkt alsof ze staafmagneten bevatten die zijn uitgelijnd met de rotatieassen. Planetologen associëren dit met een "dynamo": interne gebieden waar geleidende vloeistoffen opkomen en roteren terwijl de planeet draait, waardoor enorme magnetische velden ontstaan.

Daarentegen zijn magnetische velden afkomstig van Uranus enNeptunus, leek meer omvangrijk en complex, met meer dan twee polen. Ze kwamen ook niet goed overeen met de rotatie van hun planeten. Eén manier om dit te bereiken is om op de een of andere manier de geleidende vloeistof die verantwoordelijk is voor de dynamo te beperken tot de dunne buitenste schil van de planeet, in plaats van deze in de kern te laten doordringen.

Maar het idee dat deze planeten kunnen hebbenvaste kernen die geen dynamo's konden genereren, leken niet realistisch. Als je deze ijsreuzen had geboord, zou je verwachten dat je eerst een laag ionisch water tegenkomt die zal stromen, stromen zal geleiden en aan een dynamo zal deelnemen. Het lijkt erop dat zelfs dieper materiaal, zelfs bij hogere temperaturen, ook vloeibaar zal zijn, maar dit is naïef. Planetaire wetenschappers hebben een grap dat de ingewanden van Uranus en Neptunus helemaal niet stevig kunnen zijn. Maar het bleek dat ze kunnen.

Explosief ijs

Coppari, Millo en hun team leggen de puzzelstukjes bij elkaar.

In een eerder experiment gepubliceerd inIn februari 2018 verkregen fysici indirect bewijs van het bestaan ​​van superionisch ijs. Ze knepen een druppel water op kamertemperatuur tussen de puntige uiteinden van twee geslepen diamanten. Toen de druk steeg tot ongeveer gigapascal, wat ongeveer 10 keer meer is dan op de bodem van de Mariana Trench, veranderde het water in een tetragonaal kristal, ijs-VI. Bij 2 gigapascals veranderde het in ijs-VII, een dichtere, kubieke vorm, transparant voor het blote oog, dat, zoals wetenschappers onlangs ontdekten, ook in kleine holtes in natuurlijke diamanten voorkomt.

Vervolgens gebruikt u de OMEGA-laser in het laboratoriumlaserenergie, Millo en zijn collega's zetten hun zinnen op ijs VII, nog steeds ingeklemd tussen ruitvormige aambeelden. Toen de laser het oppervlak van de diamant trof, verdampte het het materiaal en gooide de diamant in de tegenovergestelde richting en stuurde een schokgolf door het ijs. Millo's team ontdekte dat super-crushed ijs smolt bij een temperatuur van ongeveer 4.700 graden Celsius, zoals verwacht voor superionisch ijs, en dat het elektriciteit geleidde door de beweging van geladen protonen.

Na het maken van voorspellingen met betrekking tot bulkSuperionische eigenschappen van het ijs werden bevestigd, een nieuwe studie door Coppari en Millo moest de structuur ervan bevestigen. Als je de kristallijne aard wilt bevestigen, heb je röntgendiffractie nodig.

Hun nieuwe experiment miste ijs-VI en ijs-VIIhelemaal niet. In plaats daarvan brak het team eenvoudigweg het water tussen de aambeelden van de diamant met laserstralen. Na miljarden breuken van een seconde, terwijl de schokgolven binnendrongen en het water begon te kristalliseren tot ijsklontjes van nanometerformaat, voegden wetenschappers nog 16 laserstralen toe om een ​​dun stuk ijzer naast het monster te verdampen. Het resulterende plasma overstroomde het kristalliserende water met röntgenstralen, die vervolgens van de ijskristallen afbogen en het team in staat stelden hun structuur te onderscheiden.

De atomen in het water werden gereorganiseerd in de lang voorspelde, maar nog nooit eerder geziene architectuur, ijs-XVIII: een kubusvormig rooster met zuurstofatomen op elke hoek en in het midden van elk gezicht.

"Dit is een echte doorbraak", zegt Koppari.

"Het feit dat het bestaan ​​van deze fase geen artefact is van kwantum-moleculaire dynamische modellering, maar heel reëel is erg goed," zegt Beauvais.

En dit soort succesvolle kruisvalidatie zoalsmodellering en het huidige superionische ijs suggereert dat de ultieme 'droom' van onderzoekers in de materiële fysica snel kan worden bereikt. "Je vertelt me ​​wat voor soort materiaaleigenschappen je nodig hebt, we gaan naar de computer en komen theoretisch te weten welke materiaal en kristallijne structuur je nodig hebt", zegt Raymond Janloz, een wetenschapper aan de Universiteit van Californië in Berkeley.

De nieuwe analyse geeft ook aan dat hoewelSuperionisch ijs geleidt wel wat elektriciteit, het is een losse maar vaste substantie. Het zal zich geleidelijk verspreiden, maar niet stromen. Zo kunnen de vloeibare lagen binnen Uranus en Neptunus ongeveer 8000 kilometer landinwaarts stoppen, waar de enorme mantel van onstabiel superionisch ijs zal beginnen. Dit beperkt de meeste dynamo-acties op ondieper diepten, gezien de ongebruikelijke velden van de planeten.

Andere planeten en manen van het zonnestelsel,waarschijnlijk hebben ze geen interne temperaturen en drukken waardoor superionisch ijs zou kunnen bestaan. Maar de veelheid van exoplaneten ter grootte van ijsreuzen suggereert dat deze substantie - superionisch ijs - zal worden gedistribueerd in ijswerelden door de hele melkweg.

Natuurlijk zal geen enkele planeet er een bevattenalleen water. IJspriganten in ons zonnestelsel worden ook gemengd met methaan en ammoniak. De mate waarin superionisch gedrag daadwerkelijk een plaats in de natuur vindt, zal afhangen van de vraag of deze fasen bestaan ​​wanneer we water met andere materialen mengen, zeggen wetenschappers. Er moet echter ook superionische ammoniak bestaan.

Experimenten zijn aan de gang. Denk je dat we ooit zullen weten wat zich in het centrum van de grootste lichamen in ons zonnestelsel bevindt? Deel uw mening in onze chat in Telegram.