Wetenschappers van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben onlangs zeer nauwkeurige thermodynamische gegevens verkregen over warme, dichte stikstof onder extreme omstandigheden die zouden kunnen leiden tot een beter begrip van het interieur van hemellichamen zoals witte dwergen en exoplaneten.

Het team, dat bestaat uit onderzoekers van de University of California, Berkeley en de University of Rochester, gebruikte een geavanceerde techniek die pre-compressie in een diamanten aambeeldcel en lasergestuurde schokcompressie combineert in de Omega Laser Facility van de University of Rochester .

Stikstofmoleculen (N₂ ) vormen 78% van de lucht die we inademen. Ze zijn uniek omdat de twee stikstofatomen in N₂ zijn gebonden met een drievoudige covalente binding, de sterkste van alle eenvoudige diatomische moleculen. Stikstof is ook een belangrijk bestanddeel van hemellichamen in het buitenste zonnestelsel en daarbuiten. Bijvoorbeeld ammoniak (NH₃ ) Er wordt aangenomen dat stormen voorkomen op gigantische planeten zoals Jupiter, terwijl de dwergplaneet Pluto, de ijzige maan Titan van Saturnus en de ijzige maan Triton van Neptunus N₂ hebben -rijke sferen.

Eerdere studies met deze krachtige techniek onthulden experimenteel bewijs voor superionisch waterijs en heliumregen in gasreuzenplaneten. In het nieuwe onderzoek voerde het team schokexperimenten uit op voorgecomprimeerde moleculaire stikstofvloeistof tot 800 GPa (~ 8 miljoen atmosfeer) druk.

Ze observeerden duidelijke handtekeningen voor de voltooiing van moleculaire dissociatie in de buurt van 70-100 GPa en 5-10 kK (duizenden kelvin) en het begin van ionisatie voor de buitenste elektronen boven 400 GPa en 50 kK.

"Het is heel opwindend dat we schokgolven kunnen gebruiken om deze moleculen te breken en te begrijpen hoe druk en dichtheid veranderingen in chemische binding veroorzaken", zegt LLNL-fysicus Yong-Jae Kim, hoofdauteur van een artikel dat verschijnt in Physical Review Letters . "Studeren hoe stikstofmoleculen te breken en elektronen vrij te maken, is een geweldige test voor de meest geavanceerde computersimulaties en theoretische modellering."

Het team theoretiseerde ook dat het bestuderen van stikstof zou kunnen helpen bij het ontrafelen van enkele van de mysteries met betrekking tot het gedrag van waterstofmoleculen in het vroege stadium van inertiële opsluiting fusie-implosies bij de National Ignition Facility.

"Terwijl stikstof en waterstof beide lichte diatomische moleculen zijn, zijn waterstofatomen zo klein dat het reproduceren van hun gedrag onder extreme druk en temperatuur met computersimulaties erg complex is," zei Kim.

Het team heeft de vergelijking tussen de experimentele gegevens in het nieuwe onderzoek en de bijbehorende gesimuleerde druk-dichtheidscurves nader bekeken, uitgaande van verschillende initiële dichtheden. De vergelijking gaf meer vertrouwen in het vermogen van computersimulaties met behulp van de moleculaire dynamicatechniek van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) om de subtiele kwantumfysica-veranderingen in materiaaleigenschappen onder deze voorheen ongedocumenteerde omstandigheden nauwkeurig vast te leggen. De nieuwe gegevens hebben met name een raadselachtige discrepantie opgelost tussen eerdere experimenten met warme, dichte stikstof en voorspellingen op basis van de resultaten van de DFT-simulaties.

"We hebben laten zien dat de dichtheidsfunctionaaltheorie heel goed werkt om onze experimenten te beschrijven. Dit is een zeer strenge en nuttige test," zei Kim.

Het onderzoek maakt deel uit van een Laboratory Directed Research and Development (LDRD)-project om nieuwe lasergestuurde dynamische compressie-experimentele technieken te ontwikkelen met Diamond Aambeeldcel (DAC)-doelen. Deze technieken zouden nieuwe natuurkundige en scheikundige fenomenen kunnen ontrafelen in mengsels met een laag atoomnummer, zoals die rijk aan water, over een breed scala van ongekende druk-temperatuur-dichtheidsomstandigheden. The research has implications for planet formation and evolution and provide insights into the properties of matter under extreme conditions.

In particular, Kim is now leading experiments to develop the use of DAC targets at the National Ignition Facility. This could help further study nitrogen and unravel new exotic phenomena at much lower temperatures, linked to the 1980s observation of shock-induced cooling and the 2010s prediction of a first-order transition between molecular and polymeric nitrogen fluids below 2,000 K.

"There are a lot more things we can learn from this kind of laser dynamic compression experiments," said Marius Millot, a LLNL principal investigator of the LDRD project and the senior author of the paper. "This is a very exciting field with multiple opportunities to develop innovative measurement and unravel matter's response to extreme conditions. This is key to interpret astronomical observations and better understand the formation and evolution of celestial objects such as white dwarfs and exoplanets." + Verder verkennen

Experiments validate the possibility of helium rain inside Jupiter and Saturn