Superioninen vesi

Superioninen vesi (kutsutaan myös superioniseksi jääksi tai Ice XVIII :ksi ) [1]  on veden faasitila, joka on stabiili erittäin korkeissa lämpötiloissa ja paineissa. Tämä tila on yksi 19 tunnetusta jään kidefaasista .

Superionisessa vedessä vesimolekyylit dissosioituvat, happi- ionit kiteytyvät säännölliseksi kidehilaksi, vetyioneista tulee liikkuvia suhteessa happihilaan [2] .

Vetyionien liikkuvuus antaa superioniselle vedelle korkean sähkönjohtavuuden - melkein saman kuin metallien , mikä muuttaa sen superioniseksi kiinteäksi elektrolyytiksi. Superioninen vesi eroaa hypoteettisesta ionisesta vedestä, joka on nestefaasi, joka koostuu vety- ja happi-ionien seoksesta.

Ominaisuudet

Vuonna 2013 ehdotettiin, että superionisella jäällä voisi olla kaksi kiderakennetta. Oletetaan myös, että yli 50 GPa :n paineissa superioninen jää saa kehokeskeisen kuutiorakenteen . Yli 100 GPa :n paineissa kiderakenteen ennustetaan muuttuvan vakaammaksi rakenteeksi, jossa on kasvokeskeinen kuutiohila [3] .

Vuosina 2018–2019 saadun superionisen jään tiheydeksi osoittautui lähes neljä kertaa tavallisen jään tiheys [4] .

Teorian ja kokeilun historia

Ensimmäisen ennusteen superionisen veden olemassaolosta teki Pierfranco Demontis mallintamalla klassista molekyylidynamiikkaa vuonna 1988.

Superionisen veden olemassaoloa on spekuloitu vuosikymmeniä, mutta vasta 1990-luvulla saatiin ensimmäiset kokeelliset todisteet sen muodostumisesta. Alustavat tiedot saatiin optisilla mittauksilla laserilla lämmitetystä vedestä timanttialasinkennossa [5] ja erittäin tehokkailla lasereilla säteilytetyn veden optisista ominaisuuksista [6] .

Vuonna 1999 Carlo Cavazzoni ehdotti, että samanlainen faasitila on mahdollinen ammoniakille ja vedelle samanlaisissa olosuhteissa kuin Uranuksella ja Neptunuksella. Vuonna 2005 Lawrence Freed johti työryhmää Lawrence Livermore National Laboratoryssa luodakseen uudelleen olosuhteet superionisen veden muodostumiselle. Puristamalla vettä timanttilalasimien väliin ja ylikuumentamalla sitä lasereilla, he havaitsivat taajuussiirtymiä, jotka osoittavat vaiheen muutosta. Ryhmä loi myös tietokonemalleja , jotka osoittavat, että he olivat todella luoneet superionista vettä. Vuonna 2013 Hugh F. Wilson, Michael L. Wong ja Burkhard Militzer Kalifornian yliopistosta Berkeleyssä julkaisivat paperin, joka ennusti korkeammissa paineissa esiintyvän superionisen veden FCC-rakennetta.

Ensimmäiset vakuuttavat kokeelliset todisteet superionisen veden olemassaolosta saivat Marius Millot ja kollegat Lawrence Livermore National Laboratorysta (LLNL) vuonna 2018 puristamalla vettä timanttialasinkennossa ja säteilyttämällä sitä sitten laserpulssilla [7] . Saman tutkijaryhmän myöhemmissä kokeissa, joissa käytettiin voimakkaalle laserpulssille altistettujen vesipisaroiden röntgendiffraktioanalyysiä, havaittiin, että superionisen veden happi-ionit kiteytyvät kasvokeskeisessä kuutiohilassa, jota kutsutaan jääksi XVIII. Tästä julkaistiin artikkeli Nature-lehdessä [8] .

Jääjättiläisten olemassaolo

Useat tutkijat ehdottavat, että jääjättiplaneetat , kuten Uranus ja Neptunus, voivat sisältää superionista vettä syvyyksissään [9] . Vaikka on myös tutkimuksia, jotka viittaavat siihen, että jotkut muut kemialliset alkuaineet, erityisesti hiili, joita on jääjättiläisten sisällä, voivat sulkea pois superionisen veden muodostumisen [10] .

Muistiinpanot

  1. ↑ Millot, Marius; Coppari, Federica; Rygg, J. Ryan; Correa Barrios, Antonio; Hamel, Sebastien; Swift, Damian C.; Eggert, Jon H. (8. toukokuuta 2019). "Shokkipuristetun superionisen vesijään nanosekunnin röntgendiffraktio" . luonto __ _ ]. 569 (7755): 251-255. DOI : 10.1038/s41586-019-1114-6 . PMID  31068720 .
  2. ↑ Outoa vettä piilee jättiläisplaneettojen sisällä , New Scientist, 1. syyskuuta 2010, aikakauslehtinumero 2776.
  3. ↑ Phys.org, "Uusi vesivaihe voisi hallita Uranuksen ja Neptunuksen sisäosia" , Lisa Zyga, 25. huhtikuuta 2013
  4. ↑ "Eksoottinen" jään muoto sekä kiinteänä että  nestemäisenä . Rochesterin yliopisto.
  5. ↑ Gontšarov, Aleksanteri F.; et ai. (2005). "Veden dynaaminen ionisaatio äärimmäisissä olosuhteissa" (PDF) . Phys. Rev. Lett. [ englanti ] ]. 94 (12): 125508. doi : 10.1103 /PhysRevLett.94.125508 . PMID  15903935 .
  6. ↑ Millot, Marius; et ai. (5. helmikuuta 2018). "Kokeellisia todisteita superionisesta vesijäästä käyttämällä shokkipuristusta" . luonnon fysiikka_ _ ]. 14 (3): 297-302. Bibcode : 2018NatPh..14..297M . DOI : 10.1038/s41567-017-0017-4 . OSTI  1542614 .
  7. ↑ Superioninen jää ja Uranuksen ja Neptunuksen mysteerit . Haettu: 3.6.2021.
  8. ↑ Iskupuristetun superionisen vesijään nanosekunnin röntgendiffraktio (lehtiartikkeli) | OSTI.GOV
  9. ↑ Charlie Osolin. Julkisten asioiden toimisto: Jättiplaneetoilta löydetyn oudon vesitilan uudelleen luominen . Llnl.gov. Haettu: 24. joulukuuta 2010.
  10. ↑ Chau, Ricky; Hamel, Sebastien; Nellis, William J. (2011). "Kemialliset prosessit Uranuksen syvällä sisällä". Nat. commun. 2 . Tuotenumero: 203. DOI : 10.1038/ncomms1198 . PMID21343921  _ _
 Jäävaiheet