Von Dr. Inés Urdaneta, Research Scientist der Resonance Science Foundation
Von Dr. Inés Urdaneta, Research Scientist der Resonance Science Foundation
Wir sind mit den vier bisher anerkannten Aggregatzuständen vertraut: fest, flüssig, gasförmig und Plasma. Wer hätte sich einen fünften Aggregatzustand vorgestellt, der gleichzeitig zwei Zustände enthält? Innerhalb der Vielfalt der Kristallisationsformen oder -phasen des Wassers von flüssigem bis festem Eis (mehr als siebzehn kristalline und mehrere amorphe Eisstrukturen) tauchte ein neuer auf: ionischer Sauerstoffkristall mit ionischem Wasserstoff (hauptsächlich Protonen), der sich wie eine Flüssigkeit im Inneren bewegt. Es wurde Eis XVIII genannt, und es ist sowohl eine neue Phase des Wassers (weil es von der angewandten Temperatur und des Drucks abhängt) als auch ein neuer Aggregatzustand (weil es sowohl einen festen als auch einen flüssigen Stoff annimmt).
Kristalle werden von ionisierten Atomen gebildet, sodass die elektrostatischen Kräfte zwischen Kationen und Ionen das Gitter fest halten. Der gewöhnliche Salzkristall hat Anionen von Chlor (Cl-) und Kationen von Natrium (Na+), ist bei Raumtemperatur in festem Zustand, aber der kürzlich synthetisierte superionische Wasserkristall erfordert extrem hohen Druck und Temperatur, um sich zu bilden, da er zuerst seine Atome ionisieren - die Wassermoleküle brechen -. Bei allen anderen Kristallisationsformen von Eiswasser bleiben die Moleküle bestehen; das Eis bildet sich gerade wegen der kalten Temperaturen, die das System einfrieren. Aber in diesen superionischen Experimenten bremsen hohe Temperaturen (über 2000 Kelvin) die Wassermoleküle und hoher Druck (über 100 Gigapascal) verdichtet das System.
Man fragt sich, welches natürliche Szenario eine solche Extravaganz beherbergen könnte. Ein perfektes Szenario dafür findet man offenbar in Eisriesen wie Uranus und Neptun, die hauptsächlich aus Eiswasser bestehen (mindestens 65%). Tatsächlich ist superionisches Eis bei extremen Drücken und Temperaturen als Erklärung für ihren Kern relevant, wo solche extremen Bedingungen erwartet werden. Ihre Kerne müssen angesichts der exotischen Magnetfelder, die von diesen Eisriesen ausgehen, eine Besonderheit aufweisen, verglichen mit den übrigen Planeten der Sonnensysteme, deren Magnetfeld ziemlich genau auf die Rotationsachse ausgerichtet ist und eine einfachere Form hat, die auf eine leitfähige Flüssigkeit hindeutet Bereich im Kern, der wirbelt und die Emanation massiver Magnetfelder ermöglicht.
Die Magnetfelder von Neptuno und Uranus verhalten sich unterschiedlich, und dies könnte erklärt werden, wenn die für den „Dynamo-Effekt“ verantwortliche leitende Flüssigkeit in einer dünnen äußeren Hülle des Planeten eingeschlossen wäre, anstatt sie bis in den Kern hineinreichen zu lassen. Mit diesem neuen Aggregatzustand könnte das exotische Magnetfeldverhalten erklärt werden.
„Dies deutete darauf hin, dass superionisches Eis Elektrizität wie ein Metall leitet, wobei die Wasserstoffe die übliche Rolle von Elektronen spielen. Im Gegensatz zu dem bekannten Eis in Ihrem Gefrierschrank oder am Nordpol ist superionisches Eis schwarz und heiß. Ein Würfel davon würde viermal so viel wiegen wie ein normaler.“ https://www.quantamagazine.org/black-hot-superionic-ice-may-be-natures-most-common-form-of-water-20190508/
Andererseits sind wir es gewohnt, die Leitfähigkeit von elementaren geladenen Teilchen wie Elektronen zu verstehen, die den elektronischen Strom bilden. Wer hätte einen Strom von Protonen erraten, die wegen ihrer zusätzlichen inneren Struktur nicht als Elementarteilchen gelten? Obwohl dieses exotische Verhalten von Wasser vor mehr als dreißig Jahren von numerischen Simulationen erwartet wurde, ist die Tatsache, es zum ersten Mal zu beobachten, atemberaubend, insbesondere wenn man bedenkt, wie viele Näherungen das Modell erfordert, da die Komplexität des Systems eine exakte Quantenchemie verhinderte Berechnungen.
Die Autoren dieser in Nature https://www.nature.com/articles/s41586-019-1114-6
veröffentlichten Arbeit fassen in ihrem Abstract die Erfahrung zusammen: „Besonders faszinierend ist die Vorhersage, dass H2O superionic6–with liquid- wie Protonen, die durch das feste Sauerstoffgitter diffundieren – wenn sie extremen Drücken und hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Numerische Simulationen legen nahe, dass die charakteristische Diffusion der Protonen durch die leeren Plätze des Sauerstoff-Feststoff-Gitters (1) zu einer überraschend hohen Ionenleitfähigkeit von über 100 Siemens pro Zentimeter führt, also fast so hoch wie die typische metallische (elektronische) Leitfähigkeit, (2) erhöht die Eisschmelztemperatur stark auf mehrere tausend Kelvin und (3) begünstigt neue Eisstrukturen mit einem dicht gepackten Sauerstoffgitter.“
🇬🇧 By Dr.
We are familiarized with the four states of matter acknowledged so far: solid, liquid, gas and plasma. Who would have imagined a fifth state of matter, containing simultaneously two states? Within the diversity of crystallization forms or phases of water from liquid to solid ice (more than seventeen crystalline and several amorphous ice structure), appeared a new one: ionic oxygen crystal with ionic hydrogen (mainly protons) moving inside, like a fluid. It has been named ice XVIII, and it is both a new phase of water (because it depends on applied temperature and pressure) and a new state of matter (because it gathers both a solid and a fluid).
Crystals are formed by ionized atoms, such that the electrostatic forces between cations and ions keep the lattice solid. The common salt crystal has anions of Chlorine (Cl-) and cations of Sodium (Na+), is in solid state at room temperature, but the superionic crystal of water synthesized recently requires extremely high pressure and temperature to form, as it first has to ionize its atoms -breaking the water molecules-. In all other crystallization forms of ice water, the molecules remain; the ice forms precisely because of cold temperatures that freeze the system. But in this superionic experiments, high temperature (above 2000 kelvin) brakes the water molecules, and high pressure (above 100 gigapascals) densifies the system.
One wonders what natural scenario could host such an extravagancy. Apparently, a perfect scenario for it can be found in Ice Giants like Uranus and Neptune, which are composed mainly by Ice water (at least 65%). As a matter of fact, superionic ice at extreme pressure and temperature is relevant as an explanation for their core, where such extreme conditions are expected. Their cores must have a particularity, given the exotic magnetic fields emanating from of these Ice Giants, compared to the remaining planets of the solar systems that have a magnetic field pretty much aligned with the axe of rotation and with a simpler shape suggesting a conductive fluid region in the core that swirls, allowing the emanation of massive magnetic fields.
Neptuno and Uranus magnetic fields behave differently, and this could be explained if the conducting fluid responsible for the “dynamo effect” was confined into a thin outer shell of the planet, instead of letting it reach down into the core. The exotic magnetic field behavior could be explained with this new state of matter.
“This suggested superionic ice would conduct electricity, like a metal, with the hydrogens playing the usual role of electrons. Unlike the familiar ice found in your freezer or at the north pole, superionic ice is black and hot. A cube of it would weigh four times as much as a normal one.” https://www.quantamagazine.org/black-hot-superionic-ice-may-be-natures-most-common-form-of-water-20190508/
On the other hand, we have been used to understanding conductivity of elementary charged particles such as electrons that compose the electronic current. Who would have guessed a current of protons -which are not considered to be elementary particles because of their additional internal structure-? Though this exotic behavior of water was expected from numerical simulations more than thirty years ago, the fact of observing it for the first time is breathtaking, especially when considering the amount of approximations involved in the model since the complexity of the system prevented exact quantum chemical calculations.
The authors of this work published in Nature (https://www.nature.com/articles/s41586-019-1114-6) resume in their abstract the experience: “Particularly intriguing is the prediction that H2O becomes superionic6–with liquid-like protons diffusing through the solid lattice of oxygen— when subjected to extreme pressures and high temperatures. Numerical simulations suggest that the characteristic diffusion of the protons through the empty sites of the oxygen solid lattice (1) gives rise to a surprisingly high ionic conductivity above 100 Siemens per centimetre, that is, almost as high as typical metallic (electronic) conductivity, (2) greatly increases the ice melting temperature to several thousand kelvin, and (3) favours new ice structures with a close-packed oxygen lattice.“
🇹🇷 Dr. Inés Urdaneta, Rezonans Bilim Vakfı Araştırma Bilimcisi
Şimdiye kadar kabul edilen dört madde durumuna aşinayız: katı, sıvı, gaz ve plazma. Aynı anda iki durum içeren beşinci bir madde durumunu kim hayal edebilirdi? Sıvıdan katı buza (on yediden fazla kristal ve birkaç amorf buz yapısı) suyun kristalizasyon formlarının veya fazlarının çeşitliliği içinde yeni bir tane ortaya çıktı: iyonik hidrojen (esas olarak protonlar) içinde bir sıvı gibi hareket eden iyonik oksijen kristali. Buz XVIII olarak adlandırılmıştır ve hem suyun yeni bir fazıdır (çünkü uygulanan sıcaklık ve basınca bağlıdır) hem de maddenin yeni bir halidir (çünkü hem katı hem de sıvı toplar).
Kristaller iyonize atomlar tarafından oluşturulur, öyle ki katyonlar ve iyonlar arasındaki elektrostatik kuvvetler kafesin katı kalmasını sağlar. Ortak tuz kristali, Klor (Cl-) anyonlarına ve Sodyum (Na+) katyonlarına sahiptir, oda sıcaklığında katı haldedir, ancak son zamanlarda sentezlenen süper iyonik su kristali, ilk önce olması gerektiğinden, oluşması için son derece yüksek basınç ve sıcaklık gerektirir. atomlarını iyonize eder -su moleküllerini kırar-. Buzlu suyun diğer tüm kristalizasyon formlarında moleküller kalır; buz, tam olarak sistemi donduran soğuk sıcaklıklar nedeniyle oluşur. Ancak bu süperiyonik deneylerde, yüksek sıcaklık (2000 kelvin'in üzerinde) su moleküllerini frenler ve yüksek basınç (100 gigapaskalın üzerinde) sistemi yoğunlaştırır.
İnsan hangi doğal senaryonun böyle bir savurganlığa ev sahipliği yapabileceğini merak ediyor. Görünüşe göre, bunun için mükemmel bir senaryo, esas olarak Buz suyundan (en az %65) oluşan Uranüs ve Neptün gibi Buz Devlerinde bulunabilir. Nitekim, aşırı basınç ve sıcaklıkta süper iyonik buz, bu tür aşırı koşulların beklendiği çekirdek için bir açıklama olarak uygundur. Bu Buz Devlerinden yayılan egzotik manyetik alanlar göz önüne alındığında, güneş sistemlerinin dönüş ekseniyle hemen hemen hizalanmış bir manyetik alana ve iletken bir sıvıyı düşündüren daha basit bir şekle sahip olan geri kalan gezegenleriyle karşılaştırıldığında, çekirdeklerinin bir özelliği olmalıdır. çekirdekte dönen ve büyük manyetik alanların yayılmasına izin veren bölge.
Neptün ve Uranüs manyetik alanları farklı davranır ve bu, "dinamo etkisinden" sorumlu olan iletken sıvının, çekirdeğe ulaşmasına izin vermek yerine gezegenin ince bir dış kabuğuna hapsedilmesiyle açıklanabilir. Egzotik manyetik alan davranışı, maddenin bu yeni hali ile açıklanabilir.
"Bu, süper iyonik buzun bir metal gibi elektriği ileteceğini ve hidrojenlerin elektronların olağan rolünü oynamasını önerdi. Dondurucunuzda veya kuzey kutbunda bulunan tanıdık buzun aksine, süper iyonik buz siyah ve sıcaktır. Bir küpü, normal bir küpün dört katı ağırlığındadır.”
Öte yandan, elektronik akımı oluşturan elektronlar gibi temel yüklü parçacıkların iletkenliğini anlamaya alışkınız. Ek iç yapıları nedeniyle temel parçacık olarak kabul edilmeyen protonların akımını kim tahmin edebilirdi? Suyun bu egzotik davranışı otuz yıldan daha uzun bir süre önce sayısal simülasyonlardan beklenmesine rağmen, sistemin karmaşıklığı tam kuantum kimyasalını engellediğinden, özellikle modelde yer alan yaklaşımların miktarı göz önüne alındığında, onu ilk kez gözlemleme gerçeği nefes kesicidir. hesaplamalar.
Nature'da https://www.nature.com/articles/s41586-019-1114-6 yayınlanan bu çalışmanın yazarları, deneyimlerini özetlerinde sürdürürler: Aşırı basınçlara ve yüksek sıcaklıklara maruz kaldıklarında katı oksijen kafesinden yayılan protonlar gibi. Sayısal simülasyonlar, oksijen katı kafesinin (1) boş bölgeleri boyunca protonların karakteristik difüzyonunun, santimetre başına 100 Siemens'in üzerinde, yani neredeyse tipik metalik (elektronik) iletkenlik kadar şaşırtıcı derecede yüksek bir iyonik iletkenliğe yol açtığını göstermektedir. (2) buzun erime sıcaklığını büyük ölçüde birkaç bin kelvin'e yükseltir ve (3) sıkı bir oksijen kafesine sahip yeni buz yapılarını destekler.“
Kommentare
Kommentar veröffentlichen