Суперионная вода

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Лёд XVIII в отсутствие поля Лёд XVIII при приложении электрического поля
Замечательной характеристикой суперионного льда является его электропроводность. В отсутствие электрического поля (слева) ионы O2- (красные) образуют гранецентрированную кубическую кристаллическую решетку (ГЦК), а ионы H+ (белые) хаотически движутся в ней. При приложении электрического поля (справа) ионы H+ перемещаются от анода к катоду.

Суперио́нная вода́ (также называемая суперио́нный лёд, или Лёд XVIII)[1] — фазовое состояние воды, устойчивое при чрезвычайно высоких температурах и давлениях. Это состояние — одно из 19 известных кристаллических фаз льда.

В суперионной воде молекулы воды диссоциируют, ионы кислорода кристаллизуются в регулярную кристаллическую решётку, ионы водорода становятся подвижными относительно кислородной решётки[2].

Подвижность ионов водорода придаёт суперионной воде высокую электропроводность — почти такую же как у металлов, что превращает её в суперионный твёрдый электролит. Суперионная вода отличается от гипотетической ионной воды, которая представляет собой жидкую фазу состоящую из неупорядоченной смеси из ионов водорода и кислорода.

Свойства[править | править код]

В 2013 году предполагалось, что суперионный лед может иметь две кристаллические структуры. Также предполагается, что при давлении выше 50 ГПа суперионный лед приобретёт объемно-центрированную кубическую структуру. При давлениях, превышающих 100 ГПа, прогнозируется, что кристаллическая структура перейдёт в более стабильную структуру с гранецентрированной кубической решёткой[3].

Плотность суперионного льда, полученного в 2018—2019 годах, оказалась почти в четыре раза больше плотности обычного льда[4].

История теории и экспериментов[править | править код]

Первое предсказание о существовании суперионной воды сделал Пьерфранко Демонтис моделированием классической молекулярной динамики в 1988 году.

Существование суперионной воды предполагалось на протяжении десятилетий, но только в 1990-х годах появились первые экспериментальные доказательства её образования. Первоначальные данные были получены оптическими измерениями нагретой лазером воды в ячейке с алмазными наковальнями[5] и оптических свойств воды, облучаемой очень мощными лазерами[6].

В 1999 году Карло Каваццони предположил, что аналогичное фазовое состояние возможно для аммиака и воды в условиях, подобных тем, которые существуют на Уране и Нептуне. В 2005 году Лоуренс Фрид возглавил команду Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, чтобы воссоздать условия формирования суперионной воды. Используя сжатие воды между алмазными наковальнями и перегрев её с помощью лазеров, они наблюдали сдвиги частоты, указывающие на фазовый переход. Команда также создала компьютерные модели показавшие, что они действительно создали суперионную воду. В 2013 году Хью Ф. Уилсон, Майкл Л. Вонг и Буркхард Милитцер из Калифорнийского университета в Беркли опубликовали статью, в которой предсказывалась структура гранецентрированной кубической решётки у суперионной воды, которая возникнет при более высоких давлениях.

Первые убедительные экспериментальные доказательства существования суперионной воды были получены Мариусом Миллотом и его коллегами из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) в 2018 году путём сжатия воды в ячейке с алмазными наковальнями, а затем облучением лазерным импульсом[7]. В более поздних экспериментах, проведенных той же командой исследователей, использовался рентгеноструктурный анализ капель воды, подвергавшихся воздействию мощного лазерного импульса, было обнаружено, что ионы кислорода суперионной воды кристаллизуются в гранецентрированной кубической решётке, названную льдом XVIII. Статья об этом была опубликована в журнале Nature[8].

Существование в ледяных гигантах[править | править код]

Ряд исследователей предполагает, что ледяные планеты-гиганты такие как Уран и Нептун могут содержать в недрах суперионную воду[9]. Хотя есть также исследования, из которых следует, что некоторые другие химические элементы, особенно углерод, присутствующие в недрах ледяных гигантов, могут исключить образование суперионной воды[10].

Примечания[править | править код]

  1. Millot, Marius; Coppari, Federica; Rygg, J. Ryan; Correa Barrios, Antonio; Hamel, Sebastien; Swift, Damian C.; Eggert, Jon H. (8 May 2019). “Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice”. Nature [англ.]. 569 (7755): 251—255. DOI:10.1038/s41586-019-1114-6. PMID 31068720.
  2. Weird water lurking inside giant planets, New Scientist, 01 September 2010, Magazine issue 2776.
  3. Phys.org, «New phase of water could dominate the interiors of Uranus and Neptune», Lisa Zyga, 25 April 2013
  4. 'Exotic' form of ice both solid and liquid (англ.). University of Rochester.
  5. Goncharov, Alexander F.; et al. (2005). “Dynamic Ionization of Water under Extreme Conditions” (PDF). Phys. Rev. Lett. [англ.]. 94 (12): 125508. DOI:10.1103/PhysRevLett.94.125508. PMID 15903935.
  6. Millot, Marius; et al. (5 February 2018). “Experimental evidence for superionic water ice using shock compression”. Nature Physics [англ.]. 14 (3): 297—302. Bibcode:2018NatPh..14..297M. DOI:10.1038/s41567-017-0017-4. OSTI 1542614.
  7. Суперионный лёд и загадки Урана и Нептуна. Дата обращения: 3 июня 2021.
  8. Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice (Journal Article) | OSTI.GOV
  9. Charlie Osolin. Public Affairs Office: Recreating the Bizarre State of Water Found on Giant Planets. Llnl.gov. Дата обращения: 24 декабря 2010.
  10. Chau, Ricky; Hamel, Sebastien; Nellis, William J. (2011). “Chemical processes in the deep interior of Uranus”. Nat. Commun. 2. Article number: 203. DOI:10.1038/ncomms1198. PMID 21343921.