Een internationaal team van onderzoekers van University College Dublin (UCD) en University of Saskatchewan, Canada, hebben 'proton-hopping'-beweging waargenomen in een hogedrukvorm van ijs (Ice VII-roosters).

Een dergelijke beweging kan aanwezig zijn in planetaire lichamen zoals Venus, samen met Jupiter, Neptunus en Uranus, en hun manen; of exoplaneten (planeten buiten het zonnestelsel), gemedieerd door externe elektrische velden.

Deze ontdekking van elektrische geleiding in ijs heeft het potentieel om ons begrip van het gedrag en de moleculaire dynamica van hogedrukijs in het heelal te veranderen en te verbeteren. in al zijn verschillende vormen en gevarieerde omgevingen.

De ontdekking is aangekondigd in een wetenschappelijk artikel getiteld "Possibility of Realizing Superionic Ice VII in External Electric Fields of Planetary Bodies, " net gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , een peer-reviewed, multidisciplinair, open access wetenschappelijk tijdschrift.

Gewoon waterijs staat bekend als Ice I, terwijl Ice VII een kubische kristallijne vorm van ijs is die kan worden gevormd uit vloeibaar water boven 3 GPa (30, 000 atmosfeer) door de temperatuur te verlagen tot kamertemperatuur, of door zwaar water te decomprimeren (D ₂ O) IJs VI onder 95 K.

Ice VII heeft een eenvoudige structuur van twee elkaar doordringende, en effectief onafhankelijk, sub-roosters van kubieke ijs, en is stabiel over een breed gebied boven 2 GPa. Gezien de eenvoudige structuur en stabiliteit van Ice VII als potentiële kandidaat voor een superionische (SI)-ijsfase, waarin zuurstofatomen kristallografisch geordend blijven terwijl protonen volledig diffuus worden als gevolg van intramoleculaire dissociatie, wordt al een tijdje gehypothetiseerd.

In aanvulling, theoretische studies wijzen op een mogelijke prevalentie van SI-ijs in mantels van grote planeten, zoals Uranus en Neptunus, en exoplaneten, of die met permanente of voorbijgaande elektrische velden, zoals Venus.

De uitdaging voor wetenschappers tot nu toe was om SI-ijs te realiseren en de ontdekking van protonen 'on the hop' in Ice VII werd gedaan door professor Niall English, UCD School of Chemical and Bioprocess Engineering met zijn toenmalige postdoctoraal onderzoeker, Dr. Zdeněk Futera, en papier co-auteur, Professor John Tse, Universiteit van Saskatchewan.

Professor Niall Engels, UCD School of Chemical and Bioprocess Engineering, zei, "Onze nieuwe fundamentele ontdekking omvat de toepassing van elektrische velden, die protonscheiding induceren van hun samenstellende moederwatermoleculen, en Grotthuss-type 'protonhopscotching' van het ene watermolecuul naar het andere, het verplaatsen van het proton op de volgende ketting in een spel dat lijkt op stoelendans, waardoor een elektrische stroom of een stroom van lading tot stand wordt gebracht."

Hij voegde toe, "Dit heeft belangrijke implicaties voor het veronderstelde ijs VII in verschillende planetaire en exoplanetaire lichamen, met permanente of voorbijgaande elektrische velden, zoals de omgeving van Venus en manen van Jupiter zoals (waterrijke) Europa, en, vooral, Ganymedes."

"Deze ontwikkeling in de fysische chemie van ijs heeft het potentieel om te leiden tot mogelijke spectroscopische detectie van exotische ijsfasen in het universum."

De onderliggende (niet-evenwichts) moleculaire simulatiebenaderingen in externe elektrische velden zijn veelbelovend in termen van hun potentieel gebruik bij het ontwerpen van superieure ladingstransportmaterialen voor de fysica van vaste-stofapparaten.

Dr. Zdeněk Futera, nu aan de Universiteit van Zuid-Bohemen, Tsjechië zei, "Gebruikmakend van lopende samenwerkingsprogramma's voor onderzoek met professor John Tse, Universiteit van Saskatchewan, we hebben een goed theoretisch inzicht verworven in de moleculaire manipulatie van protonen door elektrische velden, wat bijdraagt ​​aan onze microscopische kennis van ladingsstroom."

Professor John Tse, Vakgroep Natuurkunde en Technische Natuurkunde, Universiteit van Saskatchewan, zei, "Ons werk verheldert de atomistische en elektronische oorsprong van SI-gedrag in Ice VII, die de recente laser-shockwave-experimenten van Ice XVIII nabootst door Millot en collega's gepubliceerd in Natuur een jaar geleden. In het universum, we merken op dat Venus een permanent elektrisch veld heeft, waarvan kan worden verwacht dat het het microscopische gedrag van water daarop sterk zal beïnvloeden."

"De verklaring verklaart ook waarom deze protonen kunnen worden gezien om mee te huppelen wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd. Dus, deze studie kan een duidelijke en consistente verklaring geven voor een eerder raadselachtig probleem - het 'hoe en waarom' van het superionisch maken van ijs."

Professor Engels concludeerde, "We willen de ondersteuning en faciliteiten van High-Performance-Computing die door UCD worden geboden, erkennen, evenals de collegialiteit van visionaire beoefenaars in de wereldwijde ijsfysica-gemeenschap."