Nieuw onderzoek waarbij wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) betrokken waren, toont aan dat water vloeibaar kan blijven in een metastabiele toestand bij de overgang van vloeibaar naar een dichte vorm van ijs bij hogere drukken dan eerder gemeten.

Water onder extreme omstandigheden heeft de laatste tijd de aandacht getrokken vanwege het complexe fasediagram, waaronder superionische ijsfasen met exotische eigenschappen die voorkomen bij hoge drukken en dichtheden. Daten, 20 unieke kristallijne ijsfasen zijn van nature op aarde of in het laboratorium gevonden. Water vertoont ook bizarre metastabiele verschijnselen wanneer het zeer snel wordt samengeperst of afgekoeld, die al vele jaren de aandacht trekken van natuurkundigen over de hele wereld.

"Als het water heel snel wordt samengeperst, het zal vloeibaar blijven in een metastabiele toestand totdat het uiteindelijk kristalliseert tot ijs VII bij een hogere druk dan verwacht, " zei Michelle Marshall, een onderzoekswetenschapper aan het Laboratorium voor Laser Energetica (LLE) aan de Universiteit van Rochester, een voormalig LLNL-postdoc en hoofdauteur van de studie die verschijnt in Fysieke beoordelingsbrieven .

IJs VII is de stabiele polymorf van water bij kamertemperatuur en bij drukken hoger dan ∼2 GPa (meer dan 19, 000 atmosfeer]. Onlangs, ice VII werd voor het eerst van nature op aarde gevonden als insluitsels in diamanten die diep in de mantel werden gewonnen. Het kan bestaan ​​in de ijzige manen van Jupiter en in waterwerelden buiten ons zonnestelsel.

Het nieuwe onderzoek toonde aan hoe water vloeibaar kan blijven in een metastabiele toestand wanneer het de vloeistof-naar-ijs-VII-overgang ondergaat bij hogere drukken dan eerder gemeten. Eerder experimenteel werk in de gigantische pulsed-power Z-faciliteit toonde aan dat het gecomprimeerde water bij 7 GPa (69, 000 atmosfeer) wanneer het water over honderden nanoseconden wordt samengeperst. De nieuwe experimenten verschoven in plaats daarvan naar het gebruik van krachtige lasers in de Omega Laser Facility om water te comprimeren over nog kortere tijdschalen (nanoseconden).

Net als in eerdere LLNL-werkzaamheden aan goud (Au) en platina (Pt), het moeilijkste is om het water zachtjes genoeg samen te persen om te voorkomen dat er een schokgolf ontstaat die het experiment zou verpesten (d.w.z. het realiseren van een schokloze hellingscompressie). Omdat water veel beter samendrukbaar is dan metalen zoals Au en Pt, het creëren van een hellingscompressiegolf in een micrometer dunne waterlaag vereist een veel lagere drukbelasting.

"Hoewel de druk die we bereiken erg bescheiden lijkt in vergelijking met andere lasergestuurde ultrasnelle dynamische compressie-experimenten, deze extreem moeilijke experimenten zijn echt aan de grens van wat we kunnen doen met gigantische lasers, en dat was een spannende uitdaging, " zei LLNL-wetenschapper en co-auteur Marius Millot.

De nieuwe gegevens laten zien dat water vloeibaar kan blijven tot ten minste 8-9 GPa (79, 000-89, 000 atmosfeer) alvorens te kristalliseren tot ijs VII:de vriesdruk neemt toe met de compressiesnelheid.

"Dit betekent dat water vloeibaar kan blijven tot minstens 3,5 keer hogere drukken dan verwacht op basis van het evenwichtsfasediagram, "Zei Marshall. "Het is heel netjes om te denken dat we het zo snel comprimeren dat water geen tijd heeft om te kristalliseren, dus het blijft vloeibaar."

"We staan ​​aan de grens van experimentele ultrasnelle wetenschap, "Marshall zei, "en het was geweldig om samen te werken met onze theorie- en simulatiecollega's om een ​​gedetailleerder beeld te krijgen van wat er gebeurde. Het is opmerkelijk dat de meest recente theoretische en numerieke ontwikkelingen nu een gedetailleerd begrip van de waargenomen verschijnselen geven. Dit zou implicaties kunnen hebben voor ons algemene begrip van fasetransformaties onder extreme omstandigheden."

Dit werk maakt deel uit van een bredere poging om faseovergangskinetiek in dynamisch gecomprimeerde materialen te begrijpen. De alomtegenwoordige aard van water en het complexe fasediagram maken de vloeistof-naar-ijs-VII faseovergang een interessant testbed voor faseovergangskinetiekmodellering. SAMSA, een door LLNL ontwikkeld kinetiekmodel, geeft een gedetailleerd begrip van de experimentele resultaten, terwijl het vertrouwt op het fundamenteel eenvoudige beeld van homogene nucleatie met behulp van klassieke nucleatietheorie.

In grote lijnen, dit werk helpt bij het verbeteren van materiële modellen en begrip, die interessante implicaties kunnen hebben voor andere belangrijke onderzoeksgebieden in het laboratorium, zoals geavanceerde productie en 3D-printen. Metastabiele toestanden en complexe kristallisatie van water zijn ook essentieel voor atmosferische wetenschap en dus voor klimaatveiligheid.