Wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) gebruikten gigantische lasers om water in zijn exotische superionische fase te flitsen en röntgendiffractiepatronen vast te leggen om de atomaire structuur voor de allereerste keer te identificeren - en dat allemaal in slechts een paar miljardsten van een seconde. De bevindingen worden vandaag gerapporteerd in Natuur .

In 1988, wetenschappers voorspelden eerst dat water zou overgaan naar een exotische toestand van materie die wordt gekenmerkt door het naast elkaar bestaan ​​van een vast rooster van zuurstof en vloeistofachtig waterstof - superionisch ijs - wanneer het wordt blootgesteld aan de extreme drukken en temperaturen die bestaan ​​​​in het binnenste van waterrijke reus planeten als Uranus en Neptunus. Deze voorspellingen bleven van kracht tot 2018, toen een team onder leiding van wetenschappers van LLNL het eerste experimentele bewijs voor deze vreemde staat van water presenteerde.

Nutsvoorzieningen, de LLNL-wetenschappers beschrijven nieuwe resultaten. Met behulp van lasergestuurde schokgolven en in-situ röntgendiffractie, ze observeren de kiemvorming van een kristallijn zuurstofrooster in een paar miljardsten van een seconde, voor het eerst de microscopische structuur van superionisch ijs onthullend.

De gegevens geven ook meer inzicht in de interne structuur van ijsreuzenplaneten.

"We wilden de atomaire structuur van superionisch water bepalen, " zei LLNL-natuurkundige Federica Coppari, co-hoofdauteur van het artikel. "Maar gezien de extreme omstandigheden waarin wordt voorspeld dat deze ongrijpbare toestand van materie stabiel zal zijn, het comprimeren van water tot dergelijke drukken en temperaturen en tegelijkertijd het maken van snapshots van de atomaire structuur was een uiterst moeilijke taak, waarvoor een innovatief experimenteel ontwerp nodig was."

De onderzoekers voerden een reeks experimenten uit in de Omega Laser Facility van het University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics (LLE). Ze gebruikten zes gigantische laserstralen om een ​​reeks schokgolven te genereren met een geleidelijk toenemende intensiteit om een ​​dunne laag aanvankelijk vloeibaar water samen te persen tot extreme druk (100-400 gigapascal (GPa), of 1-4 miljoen keer de atmosferische druk van de aarde) en temperaturen (3, 000-5, 000 graden Fahrenheit).

"We ontwierpen de experimenten om het water samen te persen zodat het zou bevriezen tot vast ijs, maar het was niet zeker dat de ijskristallen zich daadwerkelijk zouden vormen en groeien in de paar miljardsten van een seconde die we kunnen vasthouden aan de druk-temperatuuromstandigheden, " zei LLNL-natuurkundige en co-hoofdauteur Marius Millot.

Om de kristallisatie te documenteren en de atomaire structuur te identificeren, het team bestraalde een kleine ijzeren folie met 16 extra laserpulsen om een ​​heet plasma te creëren, die een flits van röntgenstralen genereerde die precies waren getimed om het gecomprimeerde watermonster te verlichten dat eenmaal in het voorspelde stabiliteitsdomein van superionisch ijs was gebracht.

"De röntgendiffractiepatronen die we hebben gemeten, zijn een ondubbelzinnige handtekening voor de vorming van dichte ijskristallen tijdens de ultrasnelle schokgolfcompressie, wat aantoont dat nucleatie van vast ijs uit vloeibaar water snel genoeg is om te worden waargenomen in de nanoseconde tijdschaal van het experiment, ' zei Coppari.

"In het vorige werk konden we alleen macroscopische eigenschappen meten, zoals interne energie en temperatuur, " voegde Millot eraan toe. "Daarom, we ontwierpen een nieuw en ander experiment om de atomaire structuur te documenteren. Het vinden van direct bewijs voor het bestaan ​​van een kristallijn zuurstofrooster brengt het laatste ontbrekende stukje van de puzzel met betrekking tot het bestaan ​​van superionisch waterijs. Dit geeft extra kracht aan het bewijs voor het bestaan ​​van superionisch ijs dat we vorig jaar verzamelden."

Analyseren hoe de röntgendiffractiepatronen varieerden voor de verschillende experimenten die verhoogde druk- en temperatuuromstandigheden onderzochten, het team identificeerde een faseovergang naar een voorheen onbekende face-centered-cubic (f.c.c.) atomaire structuur voor dicht waterijs.

"Het is bekend dat water veel verschillende kristallijne structuren heeft, bekend als ijs Ih, ik, III, tot XVII, ' zei Coppari. 'Dus, we stellen voor om de nieuwe f.c.c. vaste vorm 'ijs XVIII.' Computersimulaties hebben een aantal verschillende mogelijke kristallijne structuren voor superionisch ijs voorgesteld. Onze studie biedt een kritische test voor numerieke methoden."

De gegevens van het team hebben ingrijpende gevolgen voor de interne structuur van ijsreuzenplaneten. Omdat superionisch ijs uiteindelijk een vaste stof is, het idee dat deze planeten een uniforme, snel convecerende vloeistoflaag hebben, gaat niet langer op.

"Omdat waterijs bij Uranus en Neptunus's inwendige omstandigheden een kristallijn rooster heeft, we stellen dat superionisch ijs niet zou moeten stromen als een vloeistof zoals de vloeibare ijzeren buitenste kern van de aarde. Liever, het is waarschijnlijk beter om je voor te stellen dat superionisch ijs op dezelfde manier zou stromen als de aardmantel, die is gemaakt van massief gesteente, toch stroomt en ondersteunt grootschalige convectieve bewegingen op de zeer lange geologische tijdschalen, Millot zei. "Dit kan een dramatische invloed hebben op ons begrip van de interne structuur en de evolutie van de ijzige reuzenplaneten, evenals al hun talrijke neven en nichten buiten het zonnestelsel."