Wetenschappers hebben een nieuwe vorm van ijs ontdekt – het kan veel voorkomen op verre, waterrijke planeten

UNLV-natuurkundigen hebben een nieuwe laserverwarmingstechniek ontwikkeld in een diamanten aambeeldcel (hier afgebeeld) als onderdeel van hun ontdekking van een nieuwe vorm van ijs. Krediet: Chris Higgins

De bevindingen kunnen implicaties hebben voor ons begrip van verre, waterrijke planeten.

NLV-onderzoekers hebben een nieuwe vorm van ijs ontdekt, die de eigenschappen van water onder hoge druk herdefinieert.

Vast water, of ijs, is net als veel andere stoffen in die zin dat het verschillende vaste stoffen kan vormen op basis van veranderende temperaturen en drukomstandigheden, zoals het vormen van diamantkoolstof of grafiet. Water is echter uitzonderlijk in dit aspect, aangezien er minstens 20 vaste vormen van ijs bij ons bekend zijn.

Een team wetenschappers van UNLV’s Extreme Conditions Laboratory in Nevada heeft een nieuwe methode bedacht om de eigenschappen van water onder hoge druk te meten. Het watermonster werd eerst tussen tegenovergestelde uiteinden van diamanten geperst – bevroren in verschillende gemengde ijskristallen. Het ijs werd vervolgens onderworpen aan een laserverwarmingstechniek waardoor het tijdelijk smolt voordat het zich snel opnieuw vormde tot een poederachtige reeks kleine kristallen.

Door de druk geleidelijk te verhogen en deze periodiek met een laserstraal te beschieten, merkte het team op dat waterijs overgaat van de bekende kubische fase, Ice-VII, naar de nieuw ontdekte tussen- en quaternaire fase, Ice-VIIt, voordat het bezinkt. naar een ander bekend podium, Ice-X.

Zach Grande, PhD bij UNLV. Taleb, die leiding gaf aan werk dat ook aantoonde dat de overgang naar Ice-X, wanneer water hard wordt, bij veel lagere drukken plaatsvindt dan eerder werd gedacht.

Hoewel het onwaarschijnlijk is dat we deze nieuwe ijsfase ergens op aarde zullen aantreffen, is het waarschijnlijk een veelvoorkomend onderdeel in de aardmantel en op grote manen en waterrijke planeten buiten ons zonnestelsel.

De resultaten van het team werden gerapporteerd in de uitgave van het tijdschrift van 17 maart 2022 fysieke beoordeling door.

Afhaal

Het onderzoeksteam werkte aan het begrijpen van het gedrag van water onder hoge druk dat aanwezig kan zijn in het binnenste van verre planeten.

Om dit te doen, plaatsten Grandi en een UNLV-natuurkundige Ashkan Salama een monster water tussen de uiteinden van twee cirkelvormig geslepen diamanten die bekend staan ​​als diamanten aambeeldcellen, een standaardkenmerk op het gebied van hogedrukfysica. Door een beetje kracht op de diamant uit te oefenen, konden de onderzoekers een druk creëren die even hoog was als die in het centrum van de aarde.

Door een watermonster tussen deze diamanten te persen, dreven de wetenschappers de zuurstof- en waterstofatomen in een verscheidenheid aan verschillende arrangementen, waaronder de nieuw ontdekte opstelling, Ice-VIIt.

Niet alleen stelde de eerste-van-zijn-soort laserverwarmingstechniek wetenschappers in staat om een ​​nieuwe fase van waterijs waar te nemen, maar het team ontdekte ook dat de overgang naar Ice-X plaatsvond bij een druk die bijna drie keer lager was dan eerder werd gedacht – bij 300.000 atmosferen in plaats van 1 miljoen. Deze transitie is al tientallen jaren een veelbesproken onderwerp in de gemeenschap.

“Het werk van Zach heeft aangetoond dat deze overgang naar de ionische toestand plaatsvindt bij veel lagere drukken dan eerder werd gedacht,” zei Salamat. “Het is het ontbrekende stuk en de meest nauwkeurige metingen op het water onder deze omstandigheden.”

Salamat voegde eraan toe dat het werk ook ons ​​begrip van de vorming van exoplaneten herijkt. De onderzoekers veronderstellen dat de Ice-VIIt-fase van ijs in overvloed zou kunnen voorkomen in de korst en de bovenmantel van geprojecteerde waterrijke planeten buiten ons zonnestelsel, wat betekent dat ze bewoonbare omstandigheden zouden kunnen hebben.

Referentie: “Drukgestuurde symmetrie-overgangen in dichte H₂O ice” door Zachary M. Grande, Si Hoy Pham, Dean Smith, John H. Boisfert, Qinliang Huang en Jesse S. 17 maart 2022 Hier beschikbaar fysieke beoordeling door.
DOI: 10.1103/ PhysRevB.105.104109

Medewerkers van het Lawrence Livermore National Laboratory gebruikten een grote supercomputer om herschikkingen van bindingen te simuleren – en voorspelden dat faseovergangen precies zouden moeten plaatsvinden waar ze door experimenten werden gemeten.

Andere medewerkers zijn UNLV-natuurkundigen Jason Stephen en John Boasfert, UNLV-mineroloog Oliver Chuner en wetenschappers van het Argonne National Laboratory en de Universiteit van Arizona.