Vatten är en ovanlig form kan vara den vanligaste i universum

Nyligen vid Laboratoriet för Laser Energetics i Brighton, New York, en av de mest kraftfulla lasrar i världen slog en droppe vatten, vilket skapar en chockvåg som lyfte trycket i vattnet till miljontals atmosfärer och temperaturen - upp till tusentals grader. Röntgenstrålarna som har passerat genom denna minskning till samma bråkdel av en sekund, visade för mänskligheten den första skymt av vatten i sådana extrema förhållanden. De visade att vattnet inuti stötvågen inte blir överhettad vätska eller gas. Nej, frös vattnet.

Paradoxalt nog kallt vatten atomer för att bilda kristallin is. Men som väntat fysik, skruva upp på skärmarna i nästa rum.

"Du hör ett skott och samtidigt kan man se att det fanns något intressant", säger Marius Millo av Lawrence Livermore National Laboratory. Lawrence, som experimenterade med Federica Copparo.

Vad händer med vatten vid högt tryck och temperatur?

Resultatet av detta arbete, som publicerades denna vecka i Nature, bekräftar förekomsten av "superionic is", en ny fas av vatten med bisarra egenskaper. Till skillnad från bekant för dig is, som finns i frysen eller på Nordpolen, is superionic svart och varm. En sådan isbit vägde fyra gånger längre än normalt. För första gången dess existens förutsades över 30 år sedan, och även om det fortfarande aldrig sett, forskare tror att det kan vara en av de vanligaste typerna av vatten i universum.

Även i solsystemet det mesta av vattnet, troligen i form av superionic is - i det inre av Uranus och Neptunus. Dess mer än flytande vatten i jordens oceaner, Europa och Enceladus. Öppning superionic is skulle kunna lösa den gamla gåtan om sammansättningen av dessa "isjätte". Forskare har funnit arton fantastiska arkitekturer iskristall, inklusive den hexagonala arrangemanget av vattenmolekylerna i den konventionella is (Ih). Efter is-I, som kan vara av två former, Ih och Ic, är andra former numrerade från II till XVII av öppningen ordning. Ja, faktiskt existerar "Ice-9", men dess egenskaper är inte samma sak som i Kurt Vonnegut roman "Katten Cradle".

Superionic is kan göra anspråk på mantel av is-XVIII. Denna nya kristall, men finns i det för en sak. Alla tidigare kända isglass består av intakta vattenmolekyler i vilken en syreatom är bunden till två väteatomer. Men superionic is, vilket framgår av nya dimensioner, inte som det. Den finns i ett slags surrealistisk limbo, halv solid och halv vätska. Separata vattenmolekyler sönderdelas. syreatomer bildar en kubiskt gitter, men väteatomerna dispergeras fritt flyter som en vätska genom en styv bur syre.

Experter säger att upptäckten av superionic isen motiverar dator projektioner som kan hjälpa fysiker, materialforskare skapa framtiden med de enskilda egenskaperna hos ämnet. En detektering av is krävs ultrasnabb mätning och noggrann styrning av temperatur och tryck, som var möjlig endast i experimentella metoder förbättra villkoren.

"Det var omöjligt att göra, säg, fem år sedan", säger Christoph Salzmann vid University College London, som upptäckte is XIII, -XIV och XV. "Det kommer säkert att ha en enorm inverkan."

Libyen Beauvais fysiker vid National Center för vetenskaplig forskning menar att eftersom vattenmolekylerna bryta upp, är det inte precis en ny fas av vatten. "Det här är ett nytt tillstånd av materia, vilket är ganska imponerande."

pussel Ice

Fysiker jaga för superionic is under många år - sedan, som en primitiv datorsimulering Perfranko Demontisa förutspådde att vatten kommer att ta denna märkliga, nästan metallisk form 1988 då att skjuta den från kartan kända is faser.

Simuleringen visade att under hårt tryck och värme till vattenmolekylerna förstörs. Syreatomerna är i ett kubiskt gitter, och "väte börjar att hoppa från en position till en annan i kristallen, om och om igen," sade Millo. Dessa hopp mellan gitternoder är så snabbt att väteatomerna - vilka är joniserade, blir, i själva verket positivt laddade protoner - bete sig som en vätska.

Det fanns ett antagande att superionic isen kommer leda elektricitet, såsom metall, och väte kommer att fungera som elektroner. Närvaron av dessa fria väteatomer också öka förvirringen is dess entropi. I sin tur kommer ökningen av entropin göra is stabilare än andra typer av iskristaller, varvid smältpunkten kommer att öka.

Föreställ dig att det är allt lätt att tro det - hårt. De första modellerna använde en förenklad fysik, tvingade sig igenom kvant karaktären av verkliga molekyler. Senare vi lagt mer simulering av kvanteffekter, men skonade själva ekvationer som krävs för att beskriva samverkan av flera kvant organ som är alltför svåra att beräkna. Istället förlitade sig på den strategi som ökar sannolikheten för att hela detta scenario skulle hägring i simuleringen. Experiment, under tiden, inte kan skapa det nödvändiga trycket och producera tillräckligt med värme för att smälta denna fasta substans. Och när allt överges denna satsning har planet forskare uttryckt sina egna misstankar om att vattnet kan is superionic fas. Ungefär samtidigt, när denna fas först predikterade sond "Voyager 2" gick in i det yttre solsystemet och hittade något konstigt i de magnetiska fälten hos de isjätte Uranus och Neptune.

Fälten runt andra planeter i solsystemet verkar bestå av väldefinierade nord- och sydpolen, utan mycket av en annan struktur. Det verkar som om de är stavmagneter är inriktade längs rotationsaxeln. Planet förknippar det med "dynamo" interna områden där ledande vätskor stiger och roterar med rotationen av planet, skapar enorma magnetfält.

I kontrast, de magnetfält som härrör från Uranus och Neptune verkar mer tung och komplicerad, med mer än två poler. De har inte heller anpassa tätt rotation deras planeter. Ett sätt att uppnå detta är att på något sätt begränsa den ledande vätskan är ansvarig för dynamo, endast ett tunt yttre skal av planeten, snarare än att låta den att tränga in i kärnan.

Men tanken att dessa planeter kan ha en fast kärna, inte kan generera dynamo verkade inte realistiskt. Om du har borrat de isjätte, förväntar du dig det första mötet med ett lager av joniska vatten som kommer att tillfalla leda ström och att delta i dynamo. Det verkar som ännu djupare material, även vid högre temperaturer kommer också att vara en vätska, men det naivt. I planet forskare har ett skämt att tarmarna av Uranus och Neptunus i allmänhet inte kan vara fast. Men det visade sig att de kan.

Den explosiva is

Copparo, Millo och deras team sätta ihop pusselbitarna tillsammans.

I en tidigare experiment, som publicerades i februari 2018 fysiker har indirekt bevis på existensen av superionic isen. De pressas droppe vatten vid rumstemperatur mellan de två spetsiga ändarna av diamanter. När trycket har stigit till omkring GPa, vilket är ungefär 10 gånger större än vid botten av Marianergraven, utvecklade vattnet i tetragonal kristall, is-VI. Vid 2 gigapascal flyttade han i ett is-VII, tätare, kubisk form, transparent för blotta ögat, vilket forskare nyligen har upptäckt också existera i små fickor inom naturliga diamanter.

Sedan, med hjälp av OMEGA laser vid Laboratoriet för Laser Energetics, Milla och hans kollegor har siktet inställt på isen-VII, fortfarande inklämt mellan diamant städ. När lasern slog ytan av diamant, är det förångat material uppåt väsentligen diamantdropp i motsatt riktning och skicka en chockvåg genom isen. Command Millo fann att sverhsdavlenny isen smälte vid en temperatur på ca 4700 grader Celsius, som förväntat för superionic is och att det leder ström genom förflyttning av laddade protoner.

Efter förutsägelser om bulk egenskaper superionic is visade sig vara sant, en ny studie Copparo och Millo var att bekräfta dess struktur. Om du vill bekräfta den kristallina naturen, måste du röntgendiffraktion.

Deras nya experiment missade is och is VI-VII alls. Istället laget helt enkelt krossade vatten mellan diamant städ laserskott. Efter miljarddelar av en sekund, medan stötvågorna tränga igenom och vatten började kristallisera i nanometer isbitar, har forskare lagt ytterligare 16 laserstrålar för att förånga en tunn bit metall nära provet. Den resulterande plasman kristallise vatten översvämmad med röntgenstrålar, som sedan diffrakteras av kristaller av is och tillåtna laget skilja deras struktur. Atomerna i vatten omgrupperade i en lång-förutsagda men aldrig tidigare typ av arkitektur, is-XVIII: ett kubiskt gitter med syreatomerna i varje hörn och i centrum av varje yta.

"Detta är ett verkligt genombrott", säger Copparo.

"Det faktum att förekomsten av denna fas inte är en artefakt av kvant molekylära dynamiska simuleringar, men verkliga - det är mycket tilltalande," sade Bove.

Vad är super is

Och denna typ av framgångsrika avstämning både simulering och nuvarande superionic is tyder på att den ultimata "Dream" för materialfysik forskare snart kan uppnås. "Säg mig, vad materialets egenskaper du behöver, går vi till datorn och ta reda teoretiskt vilket material och vilken kristallstruktur du behöver", Raymond säger Dzhanloz, forskare, University of California i Berkeley.

Den nya analysen visar också att även om superionic is tillbringar verkligen någon elektricitet, är det ganska löst, men fast. Det kommer sakta sprida sig, men flödet - nej. Således kan vätskeskikt inom Uranus och Neptunus stanna ungefär 8000 kilometer djupt in i världen där stora klänning kommer ostadig superionic is. Detta begränsar mest action dynamo på grundare djup, med tanke på den ovanliga området planeter.

Andra planeter och månar i solsystemet, antagligen inte den inre temperaturen och trycket som skulle existera SUPERIONIC is. Men många exoplaneter isjätte storlekar tyder på att ämnet - superionic is - kommer att distribueras i det iskalla världar över galaxen. Naturligtvis kommer ingen av planeten inte bara innehålla vatten. Isjätte i vårt solsystem är också involverade i metan och ammoniak. I vilken utsträckning det superionic beteende faktiskt finner en plats i naturen, "kommer att bero på huruvida dessa faser finns, som vi knåda vattnet med andra material," forskarna säger. Dock måste superionic ammoniak också existera.

Experiment fortsätter. Vad tycker du om vi hittar en som är beläget i centrum av de största organ i vårt solsystem? Dela något i vår chatt i telegrammet.