Apă superionică

Apa superionică (numită și gheață superionică , sau Gheața XVIII ) [1]  este o stare de fază a apei care este stabilă la temperaturi și presiuni extrem de ridicate. Această stare este una dintre cele 19 faze cristaline cunoscute ale gheții .

În apa superionică, moleculele de apă se disociază, ionii de oxigen se cristalizează într-o rețea cristalină obișnuită, ionii de hidrogen devin mobili în raport cu rețeaua de oxigen [2] .

Mobilitatea ionilor de hidrogen conferă apei superionice o conductivitate electrică ridicată - aproape aceeași cu cea a metalelor , ceea ce o transformă într-un electrolit solid superionic. Apa superionică este diferită de apa ionică ipotetică, care este o fază lichidă constând dintr-un amestec dezordonat de ioni de hidrogen și oxigen.

Proprietăți

În 2013, s-a sugerat că gheața superionică ar putea avea două structuri cristaline. De asemenea, se presupune că la presiuni de peste 50 GPa , gheața superionică va dobândi o structură cubică centrată pe corp . La presiuni care depășesc 100 GPa , structura cristalină se preconizează că se va transforma într-o structură mai stabilă, cu o rețea cubică centrată pe față [3] .

Densitatea gheții superionice obținută în 2018–2019 s-a dovedit a fi de aproape patru ori mai mare decât a gheții obișnuite [4] .

Istoria teoriei și experimentelor

Prima predicție a existenței apei superionice a fost făcută de Pierfranco Demontis prin modelarea dinamicii moleculare clasice în 1988.

Existența apei superionice a fost speculată de zeci de ani, dar abia în anii 1990 au apărut primele dovezi experimentale pentru formarea acesteia. Datele inițiale au fost obținute prin măsurători optice ale apei încălzite cu laser într- o celulă de nicovală de diamant [5] și proprietățile optice ale apei iradiate cu lasere foarte puternice [6] .

În 1999, Carlo Cavazzoni a sugerat că o stare de fază similară este posibilă pentru amoniac și apă în condiții similare cu cele de pe Uranus și Neptun. În 2005, Lawrence Freed a condus o echipă la Lawrence Livermore National Laboratory cu scopul de a recrea condițiile pentru formarea apei superionice. Prin comprimarea apei între nicovalele de diamant și supraîncălzirea acesteia cu lasere, ei au observat schimbări de frecvență care indică o tranziție de fază. Echipa a creat, de asemenea, modele computerizate care arată că au creat într-adevăr apă superionică. În 2013, Hugh F. Wilson, Michael L. Wong și Burkhard Militzer de la Universitatea din California din Berkeley au publicat o lucrare care prezice structura FCC a apei superionice care ar avea loc la presiuni mai mari.

Prima dovadă experimentală convingătoare a existenței apei superionice a fost obținută de Marius Millot și colegii de la Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) în 2018 prin comprimarea apei într-o celulă de nicovală de diamant și apoi iradierea acesteia cu un impuls laser [7] . În experimentele ulterioare ale aceleiași echipe de cercetători, folosind analiza de difracție cu raze X a picăturilor de apă expuse unui impuls laser puternic, s-a descoperit că ionii de oxigen ai apei superionice cristalizează într-o rețea cubică centrată pe față numită gheață XVIII. Un articol despre acest lucru a fost publicat în revista Nature [8] .

Existența în giganții de gheață

O serie de cercetători sugerează că planetele gigantice de gheață, cum ar fi Uranus și Neptun, pot conține apă superionică în adâncurile lor [9] . Deși există și studii care sugerează că unele alte elemente chimice, în special carbonul, prezente în interiorul giganților de gheață, pot exclude formarea apei superionice [10] .

Note

  1. ↑ Millot, Marius; Coppari, Federica; Rygg, J. Ryan; Correa Barrios, Antonio; Hamel, Sebastien; Swift, Damian C.; Eggert, Jon H. (8 mai 2019). „Difracția cu raze X în nanosecunde a gheții de apă superionice comprimate la șoc” . natura _ _ ]. 569 (7755): 251-255. DOI : 10.1038/s41586-019-1114-6 . PMID  31068720 .
  2. ↑ Apă ciudată care pândește în interiorul planetelor gigantice , New Scientist, 01 septembrie 2010, numărul 2776 al revistei.
  3. ↑ Phys.org, „New phase of water could dominate the interiors of Uranus and Neptun” , Lisa Zyga, 25 aprilie 2013
  4. ↑ Forma „exotică” de gheață atât solidă, cât și  lichidă . Universitatea din Rochester.
  5. ↑ Goncharov, Alexander F.; et al. (2005). „Ionizarea dinamică a apei în condiții extreme” (PDF) . Fiz. Rev. Lett. [ engleză ] ]. 94 (12): 125508. doi : 10.1103 /PhysRevLett.94.125508 . PMID  15903935 .
  6. ↑ Millot, Marius; et al. (5 februarie 2018). „Dovezi experimentale pentru gheața de apă superionică folosind compresia șoc” . fizica naturii _ ]. 14 (3): 297-302. Cod biblic : 2018NatPh..14..297M . DOI : 10.1038/s41567-017-0017-4 . OSTI 1542614 . 
  7. ↑ Gheața superionică și misterele lui Uranus și Neptun . Preluat: 3 iunie 2021.
  8. ↑ Difracția de raze X în nanosecunde a gheții de apă superionică comprimată la șoc (Journal Article) | OSTI.GOV
  9. ↑ Charlie Osolin. Biroul pentru Afaceri Publice: Recrearea stării bizare a apei găsite pe planetele gigantice . Llnl.gov. Preluat: 24 decembrie 2010.
  10. ↑ Chau, Ricky; Hamel, Sebastien; Nellis, William J. (2011). „Procese chimice în interiorul adânc al lui Uranus”. Nat. comun. 2 . Număr articol: 203. DOI : 10.1038/ncomms1198 . PMID21343921  . _
 Fazele de gheață