Diep in de aarde bevinden zich zakken met water, maar de vloeistof daar is niet zoals het water aan de oppervlakte.

Bij blootstelling aan onvoorstelbaar hoge temperaturen en drukken, water vertoont allerlei vreemde fasen en eigenschappen, van een vloeistof blijven bij temperaturen die 10 keer hoger zijn dan het kookpunt tot een vloeistof en een vaste stof tegelijkertijd.

Deze vreemde wereld is nog steeds niet volledig begrepen, maar een team van wetenschappers van de Universiteit van Chicago voerde kwantumsimulaties uit om een ​​nieuw model te ontwikkelen van het gedrag van water bij extreem hoge temperaturen en drukken. De rekenkundige metingen, gepubliceerd op 18 juni in de Proceedings van de National Academy of Sciences , zou wetenschappers moeten helpen de rol van water in de samenstelling van de mantel en mogelijk in andere planeten te begrijpen.

"Subtiele fysica op moleculair niveau kan de eigenschappen van materie diep in planeten beïnvloeden, " zei Viktor Rozsa, een afgestudeerde UChicago-student en eerste auteur op het papier. "Hoe water reageert en lading transporteert op moleculaire schaal, beïnvloedt ons begrip van verschijnselen variërend van de beweging van magma, water en andere vloeistoffen naar het magnetische veld van de hele planeet."

Onder de omstandigheden die in de studie werden beschouwd - meer dan 40 keer heter dan onze dagelijkse omstandigheden en 100, 000 keer groter dan atmosferische druk - water scheurt regelmatig uit elkaar en vormt zijn eigen chemische bindingen opnieuw. Het resultaat is dat het heel anders kan interageren met andere mineralen dan op het aardoppervlak.

Wetenschappers proberen al tientallen jaren precies vast te stellen hoe deze atomen op elkaar inwerken:het is buitengewoon moeilijk om experimenteel te testen, omdat water kan reageren met het instrument zelf. "Het is verrassend hoe weinig we weten over water onder de korst, " zei hoofdauteur Giulia Galli, de Liew Family Professor of Molecular Engineering en professor in de chemie aan UChicago en een senior scientist bij Argonne National Laboratory.

Maar water in deze omstandigheden bestaat door de hele mantel - het is mogelijk dat er meer water in de aarde wordt verdeeld dan in de oceanen - en wetenschappers zouden graag willen weten hoe het zich precies gedraagt ​​om zijn rol in de aarde te begrijpen en hoe het beweegt door de mantel.

Galli's groep bouwde een model door kwantummechanische simulaties uit te voeren van een kleine set watermoleculen bij extreem hoge drukken en temperaturen - in het bereik van wat je nodig hebt om een ​​diamant te synthetiseren.

hun voorbeeld, gebouwd met behulp van simulaties uitgevoerd in het Research Computing Center in UChicago, geeft een verklaring voor enkele van de meer mysterieuze eigenschappen van water bij dergelijke druk, zoals het verband tussen bizar hoge geleidbaarheid en hoe de moleculen dissociëren en opnieuw associëren.

Het voorspelt en analyseert ook een controversiële reeks metingen, de vibrationele spectroscopische handtekeningen van water, of vingerafdrukken van moleculaire beweging die aangeven hoe moleculen op elkaar inwerken en bewegen.

Naast het vergroten van het begrip van onze eigen planeet, Galli zei, "het vermogen om het soort simulaties te doen dat in ons artikel wordt uitgevoerd, kan belangrijke gevolgen hebben voor het modelleren van exoplaneten." Veel wetenschappers, inclusief die van UChicago, vernauwen de voorwaarden voor verre planeten die mogelijk de voorwaarden hebben om leven te creëren, en veel van deze zoektocht draait om water.

Galli is lid van het onderzoeksteam in het thema water van het Institute for Molecular Engineering, onder leiding van James Skinner, de Crown Family hoogleraar Molecular Engineering. Het team probeert de fysieke, chemische en biologische manifestaties van water, en toepassingen te ontwikkelen van innovatieve zuiveringsfilters, tot nieuwe materialen voor ontzilting en het oogsten van lithiumionen, tot nieuwe katalysatoren voor waterchemie en desinfectie.

Terwijl water overal en intensief voor ons is, Galli zei, het is notoir moeilijk om te simuleren en te bestuderen:"Dit is een stap op de lange reis naar begrip."