Pierfranco Demontis zei in 1988:"IJs wordt een snelle ionengeleider bij hoge druk en hoge temperaturen, " maar zijn voorspelling was tot voor kort slechts hypothetisch. Na 30 jaar studie, superionisch waterijs werd in 2018 experimenteel geverifieerd. Superioniciteit zou uiteindelijk het sterke magnetische veld in gigantische planetaire interieurs kunnen verklaren.

Hoe zit het met de aarde, wiens interieurs ook onder extreme druk- en temperatuuromstandigheden staan? Hoewel driekwart van het aardoppervlak bedekt is met water, op zichzelf staand water of ijs komt zelden voor in het binnenste van de aarde. De meest voorkomende eenheid van water is hydroxyl, die wordt geassocieerd met gastheermineralen om ze waterhoudende mineralen te maken. Hier, een onderzoeksgroep onder leiding van Dr. Qingyang Hu, Dr. Duckyoung Kim, en Dr. Jin Liu van het Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research ontdekte dat een dergelijk waterhoudend mineraal ook een exotische superionische fase ingaat, vergelijkbaar met waterijs in reuzenplaneten. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuur Geowetenschappen .

"In superionisch water, waterstof zal vrijkomen uit zuurstof en vloeibaar worden, en vrij bewegen binnen het vaste zuurstofrooster. evenzo, we bestudeerden een waterhoudend mineraal ijzeroxide-hydroxide (FeOOH), en de waterstofatomen bewegen vrij in het vaste zuurstofrooster van FeO ₂ , " zei Dr. He, die de computersimulatie heeft uitgevoerd.

"Het ontwikkelde zich tot de superionische fase boven ongeveer 1700 ° C en 800, 000 keer de normale atmosferische druk. Dergelijke druk- en temperatuuromstandigheden zorgen ervoor dat een groot deel van de lagere aardmantel het superionische waterhoudende mineraal kan herbergen. Deze diepe gebieden kunnen rivieren hebben die gemaakt zijn van protonen, die door de vaste stoffen stromen", voegde Dr. Kim eraan toe.

Geleid door hun theoretische voorspellingen, het team probeerde vervolgens deze voorspelde superionische fase in hete FeOOH te verifiëren door experimenten met hoge temperatuur en hoge druk uit te voeren met behulp van een laserverwarmingstechniek in een diamanten aambeeldcel.

"Het is technisch een uitdaging om de beweging van H-atomen experimenteel te herkennen, maar de evolutie van OH-binding is gevoelig voor Raman-spectroscopie, " zei dr. Hu, een van de hoofdauteurs. "Dus, we hebben de evolutie van de O-H-binding gevolgd en deze exotische staat in zijn gewone vorm vastgelegd."

Ze ontdekten dat de OH-binding abrupt verzacht boven 73, 000 keer normale atmosferische druk, samen met ~ 55% verzwakking van de OH Raman-piekintensiteit. Deze resultaten geven aan dat sommige H ⁺ kan van zuurstof worden gedelokaliseerd en mobiel worden, dus, verzwakking van de OH-binding, consistent met simulaties. "De verzachting en verzwakking van de OH-binding bij hoge druk en kamertemperatuur kan alleen worden beschouwd als een voorloper van de superionische toestand, omdat een hoge temperatuur vereist is om de mobiliteit buiten de eenheidscel te vergroten, " verklaarde Dr. Hou.

In superionische materialen, er zal een duidelijke geleidbaarheidsverandering zijn, wat een robuust bewijs is van superionisatie. Het team heeft de evolutie van de elektrische geleidbaarheid van het monster gemeten bij hoge temperatuur en druk. Ze observeerden een abrupte toename van de elektrische geleidbaarheid rond 1500-1700°C en 121, 000 keer normale atmosferische druk, wat aangeeft dat de diffuse waterstof het hele vaste monster had bedekt en dus, kwam in een superionische toestand.

"Het pyriet-type FeO ₂ H _x is slechts het eerste voorbeeld van superionische fasen in de diepe lagere mantel, " merkte Dr. Liu op, een co-lead auteur van het werk. "Het is zeer waarschijnlijk dat waterstof in de recent ontdekte dichte waterstofhoudende oxiden die stabiel zijn onder de hoge P-T-omstandigheden van de diepe lagere mantel, zoals dichte waterige fasen, kan ook superionisch gedrag vertonen."