Een team van theoretici van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) heeft een al lang bestaande puzzel opgelost in de kiemvorming van een hogedrukfase van ijs, bekend als ijs VII, waarvan wordt aangenomen dat het bestaat in de buurt van de kern van planeten in de 'oceaanwereld' die onlangs buiten het zonnestelsel zijn gedetecteerd, en is onlangs ontdekt te bestaan ​​in de aardmantel. De bevindingen worden beschreven in een paper dat vandaag is gepubliceerd door Fysieke beoordelingsbrieven .

Er is gevonden dat water bevriest tot ijs VII in laboratoriumexperimenten die schok- of hellinggolven gebruiken om vloeibaar water te comprimeren tot een druk van meer dan 100, 000 keer dat gevonden bij omgevingsomstandigheden. Echter, experimenten uitgevoerd door verschillende onderzoeksgroepen hebben tegenstrijdige vormen van nucleatie gepresenteerd. In een geval, ijs kiemt heterogeen (vormt op een nabijgelegen materiaaloppervlak), maar in andere onderzoeken bleek ijs homogeen te kiemen (in het grootste deel van het watermonster) en met een veel hogere kristallisatiesnelheid, met het hele monster bevroren in een verbazingwekkend korte tijdschaal van 10 nanoseconden.

"De omstandigheden die worden gecreëerd door schokcompressie zijn ongebruikelijk omdat ze een enorme drijvende kracht vormen voor het systeem om te kiemen - er zijn unieke overwegingen waarmee rekening moet worden gehouden voor stolling bij hoge druk, " zei Philip Myint, een medewerker van de afdeling Natuurkunde van LLNL en hoofdauteur van het onderzoek, die ook wordt gekenmerkt als een "Editor's Suggestion" in het tijdschrift. "De vloeistof wordt zo snel uit het evenwicht verdreven dat het extra tijd kost voordat er clusters verschijnen, een proces dat bekend staat als tijdelijke kiemvorming."

Myint en co-auteurs ontdekten dat dit tijdelijke kiemvormingsmechanisme een diepgaand effect heeft op de tijdschaal voor kristallisatie, een inzicht dat verandert hoe hogedrukexperimenten in de toekomst kunnen worden uitgevoerd.

Nucleatie van een kristal begint met de vorming van een cluster van atomen, het creëren van een interface die noch vloeibaar noch vast is. In ijskoud water bij omgevingsdruk, er loopt een warmtelaag voor de vloeistof-vaste stof grensvlak. Het nieuwe theoretische werk over ijs VII-kinetiek schetst een heel ander beeld, met vrijwel geen warmtelaag voor de interface.

"Dit extreme temperatuurverschil tussen de vloeistof en het groeiende ijs VII-kristal komt van de extreem hoge onderkoeling waardoor de vloeistof bevriest. Als gevolg hiervan, er is geen behoefte aan het langzame proces van latente warmteafvoer en de snelheid van het grensvlak wordt alleen geregeld door zeer snelle moleculaire ordening aan het grensvlak, " zei co-auteur Alex Chernov, een LLNL-fysicus en een autoriteit op het gebied van kristalgroei. "Verder, het kiemvormingsproces in dit systeem is buitengewoon bijzonder in vergelijking met wat algemeen bekend is over stollen, met een enkele kritische kern die minder dan 100 watermoleculen bevat. Dit is een regime waar de grenzen van ons fysieke begrip worden getest."

Het door het team ontwikkelde theoretische model (dat voortbouwt op hun eerdere werk, hier en hier gepubliceerd), wat meer dan een dozijn hogedrukbevriezingsexperimenten verklaart, kan ook licht werpen op toepassingsgebieden waar zeer hoge nucleatiegraden wenselijk zijn, zoals in materiaalsynthese en geheugenopslagtechnologie.

"Het begrijpen en beheersen van schaaloverschrijdende dynamische correlaties die verschijnen in materie die ver van evenwicht is, is misschien wel de belangrijkste onderzoeksgrens en onbekend vandaag, en vooruitgang op dit gebied zal de sleutel zijn tot de race om technologieën van de 21e eeuw, " zei co-auteur Babak Sadigh, een LLNL-fysicus en expert op het gebied van niet-evenwichtsverschijnselen. "Door de thermodynamica en kinetiek van interfaces te ontleden, er zijn geheel nieuwe klassen van problemen die kunnen worden bestudeerd en, uiteindelijk, gecontroleerd. Een heilige graal is om zelfregulerende dynamische systemen en machines te ontwerpen die dissipatieve dynamieken die verre van evenwicht zijn, kunnen gebruiken om complexe taken uit te voeren, zoals in biologische systemen - controle van nucleatie is een stap op dit pad."

Volgens de ploeg de fundamentele doorbraak was alleen mogelijk na afwijzing van de empirische benaderingen die tot voor kort door de bredere gemeenschap van schokfysica waren omarmd.

"Al meer dan een decennium de schokcompressiegemeenschap heeft geen idee wat er gebeurt in het compressieve bevriezing van water en de waargenomen kinetiek ervan. Ik denk dat er eindelijk een op fysica gebaseerde theorie is voor hoe ijs VII stolt, tenminste voor het geval van homogene kiemvorming, " zei Jon Belof, projectleider voor kinetisch onderzoek in de natuurkunde en de ontwikkeling van technische modellen onder het Advanced Simulation and Computing-programma van LLNL en corresponderende auteur van het artikel.

Toekomstig theoretisch werk zal zich richten op een beter begrip van het scenario van heterogene nucleatie, waarvan het team ontdekte dat het een prominentere rol speelt bij lagere druk. “Dat is de echte uitdaging, "Belof zei. "Nucleatie is een zeldzame gebeurtenis en, in principe, er is maar één heterogene site nodig om dat op gang te brengen."