Superjoniskt vatten

Superioniskt vatten (även kallat superionisk is , eller Ice XVIII ) [1]  är ett fastillstånd av vatten som är stabilt vid extremt höga temperaturer och tryck. Detta tillstånd är en av de 19 kända kristallina faserna av is .

I superioniskt vatten dissocierar vattenmolekyler, syrejoner kristalliserar till ett vanligt kristallgitter, vätejoner blir rörliga i förhållande till syregittret [2] .

Rörligheten av vätejoner ger superjoniskt vatten en hög elektrisk ledningsförmåga - nästan samma som metaller , vilket gör det till en superjonisk fast elektrolyt. Superjoniskt vatten skiljer sig från hypotetiskt joniskt vatten, som är en flytande fas som består av en oordnad blandning av väte- och syrejoner.

Egenskaper

2013 föreslogs att superionisk is kunde ha två kristallstrukturer. Det antas också att vid tryck över 50 GPa kommer superionisk is att få en kroppscentrerad kubisk struktur . Vid tryck som överstiger 100 GPa förutspås kristallstrukturen förvandlas till en mer stabil struktur med ett ansiktscentrerat kubiskt gitter [3] .

Tätheten av superionisk is som erhölls 2018–2019 visade sig vara nästan fyra gånger så stor som vanlig is [4] .

Historia om teori och experiment

Den första förutsägelsen om förekomsten av superjoniskt vatten gjordes av Pierfranco Demontis genom att modellera klassisk molekylär dynamik 1988.

Existensen av superioniskt vatten har spekulerats i årtionden, men det var inte förrän på 1990-talet som de första experimentella bevisen för dess bildande dök upp. Initiala data erhölls genom optiska mätningar av laseruppvärmt vatten i en diamantstädcell [5] och de optiska egenskaperna hos vatten bestrålat med mycket kraftfulla lasrar [6] .

1999 föreslog Carlo Cavazzoni att ett liknande fastillstånd är möjligt för ammoniak och vatten under förhållanden liknande de på Uranus och Neptunus. 2005 ledde Lawrence Freed ett team vid Lawrence Livermore National Laboratory för att återskapa förutsättningarna för bildandet av superioniskt vatten. Genom att komprimera vatten mellan diamantstäd och överhetta det med lasrar, observerade de frekvensförskjutningar som tyder på en fasövergång. Teamet skapade också datormodeller som visar att de verkligen hade skapat superjoniskt vatten. År 2013 publicerade Hugh F. Wilson, Michael L. Wong och Burkhard Militzer från University of California i Berkeley en artikel som förutsäger FCC-strukturen av superioniskt vatten som skulle uppstå vid högre tryck.

Det första övertygande experimentella beviset för förekomsten av superioniskt vatten erhölls av Marius Millot och kollegor vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) 2018 genom att komprimera vatten i en diamantstädcell och sedan bestråla den med en laserpuls [7] . I senare experiment av samma team av forskare, med röntgendiffraktionsanalys av vattendroppar exponerade för en kraftfull laserpuls, fann man att syrejonerna i superioniskt vatten kristalliseras i ett ansiktscentrerat kubiskt gitter som kallas is XVIII. En artikel om detta publicerades i tidskriften Nature [8] .

Existens i isjättar

Ett antal forskare föreslår att isgigantiska planeter som Uranus och Neptunus kan innehålla superioniskt vatten på sina djup [9] . Även om det också finns studier som tyder på att vissa andra kemiska grundämnen, särskilt kol, som finns i isjättarnas inre, kan utesluta bildandet av superjoniskt vatten [10] .

Anteckningar

  1. ↑ Millot, Marius; Coppari, Federica; Rygg, J. Ryan; Correa Barrios, Antonio; Hamel, Sebastien; Swift, Damian C.; Eggert, Jon H. (8 maj 2019). "Nanosekundsröntgendiffraktion av stötkomprimerad superionisk vattenis" . natur _ _ ]. 569 (7755): 251-255. DOI : 10.1038/s41586-019-1114-6 . PMID  31068720 .
  2. ↑ Konstigt vatten som lurar inuti gigantiska planeter , New Scientist, 1 september 2010, tidningsnummer 2776.
  3. ↑ Phys.org, "Ny fas av vatten kan dominera Uranus och Neptunus inre" , Lisa Zyga, 25 april 2013
  4. ↑ "Exotisk" form av is både fast och  flytande . University of Rochester.
  5. ↑ Goncharov, Alexander F.; et al. (2005). "Dynamisk jonisering av vatten under extrema förhållanden" (PDF) . Phys. Varv. Lett. [ engelska ] ]. 94 (12): 125508. doi : 10.1103 /PhysRevLett.94.125508 . PMID  15903935 .
  6. ↑ Millot, Marius; et al. (5 februari 2018). "Experimentella bevis för superionisk vattenis med stötkompression" . naturfysik _ _ ]. 14 (3): 297-302. Bibcode : 2018NatPh..14..297M . DOI : 10.1038/s41567-017-0017-4 . OTI 1542614  .
  7. ↑ Superionisk is och Uranus och Neptunus mysterier . Hämtad: 3 juni 2021.
  8. ↑ Nanosekundsröntgendiffraktion av stötkomprimerad superionisk vattenis (tidskriftsartikel) | OTI.GOV
  9. ↑ Charlie Osolin. Public Affairs Office: Återskapa det bisarra vattentillståndet som finns på jätteplaneter . Llnl.gov. Hämtad: 24 december 2010.
  10. ↑ Chau, Ricky; Hamel, Sebastien; Nellis, William J. (2011). "Kemiska processer i Uranus djupa inre". Nat. kommun. 2 . Artikelnummer: 203. DOI : 10.1038/ncomms1198 . PMID21343921  . _
 Isfaser