Onder de vele ontdekkingen over materie onder hoge druk die hem in 1946 de Nobelprijs opleverden, wetenschapper Percy Bridgman ontdekte vijf verschillende kristallijne vormen van waterijs, het inluiden van meer dan 100 jaar onderzoek naar hoe ijs zich onder extreme omstandigheden gedraagt.

Een van de meest intrigerende eigenschappen van water is dat het superionisch kan worden wanneer het onder hoge druk tot enkele duizenden graden wordt verwarmd. vergelijkbaar met de omstandigheden in reuzenplaneten zoals Uranus en Neptunus. Deze exotische toestand van water wordt gekenmerkt door vloeistofachtige waterstofionen die binnen een vast zuurstofrooster bewegen.

Aangezien dit voor het eerst werd voorspeld in 1988, veel onderzoeksgroepen in het veld hebben numerieke simulaties bevestigd en verfijnd, terwijl anderen statische compressietechnieken gebruikten om het fasediagram van water onder hoge druk te onderzoeken. Terwijl indirecte handtekeningen werden waargenomen, geen enkele onderzoeksgroep is in staat geweest om experimenteel bewijs voor superionisch waterijs te identificeren - tot nu toe.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd door Natuurfysica , een onderzoeksteam van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), de Universiteit van Californië, Berkeley en de Universiteit van Rochester leveren experimenteel bewijs voor superionische geleiding in waterijs bij planetaire inwendige omstandigheden, het verifiëren van de 30-jarige voorspelling.

Met behulp van schokcompressie, het team identificeerde thermodynamische handtekeningen die aantonen dat ijs smelt in de buurt van 5000 Kelvin (K) bij 200 gigapascal (GPa - 2 miljoen keer de atmosfeer van de aarde) - 4000 K hoger dan het smeltpunt bij 0,5 megabar (Mbar) en bijna de oppervlaktetemperatuur van de zon.

"Onze experimenten hebben de twee belangrijkste voorspellingen voor superionisch ijs geverifieerd:zeer hoge protonische / ionische geleidbaarheid binnen het vaste en hoge smeltpunt, " zei hoofdauteur Marius Millot, een natuurkundige bij LLNL. "Ons werk levert experimenteel bewijs voor superionisch ijs en laat zien dat deze voorspellingen niet te wijten waren aan artefacten in de simulaties, maar legde in feite het buitengewone gedrag van water onder die omstandigheden vast. Dit biedt een belangrijke validatie van state-of-the-art kwantumsimulaties met behulp van op dichtheid-functionele theorie gebaseerde moleculaire dynamica (DFT-MD)."

"Gedreven door de toename van beschikbare computerbronnen, Ik heb het gevoel dat we een keerpunt hebben bereikt, " voegde Sébastien Hamel toe, LLNL-fysicus en co-auteur van het artikel. "We bevinden ons nu in een stadium waarin een groot genoeg aantal van deze simulaties kan worden uitgevoerd om grote delen van het fasediagram van materialen onder extreme omstandigheden voldoende gedetailleerd in kaart te brengen om experimentele inspanningen effectief te ondersteunen."

Met behulp van diamanten aambeeldcellen (DAC), het team paste een druk van 2,5 GPa (25 duizend atmosfeer) toe om water voor te persen in het ijs op kamertemperatuur VII, een kubische kristallijne vorm die verschilt van "ijsblokjes" hexagonaal ijs, naast dat het 60 procent dichter is dan water bij omgevingsdruk en temperatuur. Vervolgens verhuisden ze naar het laboratorium voor laserenergie (LLE) van de Universiteit van Rochester om lasergestuurde schokcompressie van de vooraf gecomprimeerde cellen uit te voeren. Ze focusten tot zes intense stralen van LLE's Omega-60 laser, het leveren van een 1 nanoseconde puls van UV-licht op een van de diamanten. Dit veroorzaakte sterke schokgolven van enkele honderden GPa in het monster, om het waterijs tegelijkertijd te comprimeren en te verwarmen.

"Omdat we het water voorgecomprimeerd hebben, er is minder schokverhitting dan wanneer we vloeibaar omgevingswater shock-gecomprimeerd, waardoor we toegang hebben tot veel koudere toestanden bij hoge druk dan in eerdere schokcompressiestudies, zodat we het voorspelde stabiliteitsdomein van superionisch ijs kunnen bereiken, ' zei Millot.

Het team gebruikte interferometrische ultrasnelle snelheidsmeting en pyrometrie om de optische eigenschappen van het geschokte gecomprimeerde water te karakteriseren en de thermodynamische eigenschappen ervan te bepalen tijdens de korte duur van het experiment van 10-20 nanoseconden. voordat de druk vrijkwam, decomprimeerden golven het monster en verdampten de diamanten en het water.

"Dit zijn zeer uitdagende experimenten, dus het was echt opwindend om te zien dat we zoveel van de gegevens konden leren - vooral omdat we ongeveer twee jaar bezig waren met het maken van de metingen en nog twee jaar met het ontwikkelen van de methoden om de gegevens te analyseren, ' zei Millot.

Dit werk heeft ook belangrijke implicaties voor de planetaire wetenschap, omdat Uranus en Neptunus een enorme hoeveelheid superionisch waterijs kunnen bevatten. Planetaire wetenschappers geloven dat deze reuzenplaneten voornamelijk zijn gemaakt van koolstof, waterstof, zuurstof en stikstof (C-H-O-N) mengsel dat overeenkomt met 65 massaprocent water, gemengd met ammoniak en methaan.

Veel wetenschappers stellen zich deze planeten voor met volledig vloeiende convecterende interieurs. Nutsvoorzieningen, de experimentele ontdekking van superionisch ijs zou meer kracht moeten geven aan een nieuw beeld voor deze objecten met een relatief dunne laag vloeistof en een grote "mantel" van superionisch ijs. In feite, zo'n structuur werd tien jaar geleden voorgesteld - op basis van dynamosimulatie - om de ongebruikelijke magnetische velden van deze planeten te verklaren. Dit is met name relevant omdat NASA overweegt een sonde naar Uranus en/of Neptunus te lanceren, in de voetsporen van de succesvolle Cassini- en Juno-missies naar Saturnus en Jupiter.

"Magnetische velden leveren cruciale informatie over het interieur en de evolutie van planeten, dus het is verheugend dat onze experimenten kunnen testen - en in feite, ondersteuning - het dunne-dynamo-idee dat was voorgesteld om de werkelijk vreemde magnetische velden van Uranus en Neptunus te verklaren, " zei Raymond Jeanloz, co-auteur van de paper en professor in Earth &Planetary Physics and Astronomy aan de University of California, Berkeley. Het is ook verbijsterend dat bevroren waterijs aanwezig is op duizenden graden binnen deze planeten, maar dat is wat de experimenten laten zien."

"De volgende stap zal zijn om de structuur van het zuurstofrooster te bepalen, " zei Federica Coppari, LLNL-fysicus en co-auteur van het artikel. "Röntgendiffractie wordt nu routinematig uitgevoerd in laser-shock-experimenten bij Omega en het zal het mogelijk maken om experimenteel de kristallijne structuur van superionisch water te bepalen. Dit zou erg opwindend zijn omdat theoretische simulaties moeite hebben om de werkelijke structuur van superionisch waterijs te voorspellen."

Vooruit kijken, het team is van plan om naar een hogere voorcompressie te gaan en de techniek uit te breiden naar andere materialen, zoals helium, dat zou meer representatief zijn voor planeten als Saturnus en Jupiter.