Википедия

Суперионная вода

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.

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 решётку (ГЦК), а ионы H+ (белые) хаотически движутся в ней. При приложении электрического поля (справа) ионы H+ перемещаются от анода к катоду.

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

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

В 2018—2019 годах была измерена плотность суперионного льда, она оказалась почти в четыре раза больше плотности обычного льда[4].

Суперионный лёд имеет чёрный цвет[5][6].

История теории и экспериментов править

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[7] и оптических свойств воды, облучаемой очень мощными лазерами[5].

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[8]. В более поздних экспериментах, проведённых 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[9].

Существование в ледяных гигантах править

Ряд исследователей предполагает, что ледяные планеты-гиганты такие как Уран и Нептун могут содержать в недрах суперионную воду[10]. Хотя также есть и исследования, из которых следует, что некоторые другие химические элементы, особенно углерод, присутствующие в недрах ледяных гигантов, могут исключить образование суперионной воды[11].

Примечания править

  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. Архивировано из оригинала 9 июля 2023. Дата обращения: 3 июня 2021. {{cite journal}}: Неизвестный параметр |deadlink= игнорируется (|url-status= предлагается) (справка)
  2. ↑ Weird water lurking inside giant planets Архивная копия от 15 апреля 2015 на Wayback Machine, New Scientist, 01 September 2010, Magazine issue 2776.
  3. ↑ Phys.org, «New phase of water could dominate the interiors of Uranus and Neptune» Архивная копия от 18 мая 2021 на Wayback Machine, Lisa Zyga, 25 April 2013
  4. ↑ 'Exotic' form of ice both solid and liquid (англ.). University of Rochester. Дата обращения: 3 июня 2021. Архивировано 3 июня 2021 года.
  5. ↑ 1 2 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. Архивировано из оригинала 3 июня 2021. Дата обращения: 3 июня 2021. {{cite journal}}: Неизвестный параметр |deadlink= игнорируется (|url-status= предлагается) (справка)
  6. ↑ Sokol, Joshua (2019-05-12). "A Bizarre Form of Water May Exist All Over the Universe". Wired. ISSN 1059-1028. Архивировано из оригинала 12 мая 2019. Дата обращения: 13 мая 2019. {{cite magazine}}: Неизвестный параметр |deadlink= игнорируется (|url-status= предлагается) (справка)
  7. ↑ 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. Архивировано (PDF) из оригинала 3 июня 2021. Дата обращения: 3 июня 2021. {{cite journal}}: Неизвестный параметр |deadlink= игнорируется (|url-status= предлагается) (справка)
  8. ↑ Суперионный лёд и загадки Урана и Нептуна. Дата обращения: 3 июня 2021.
  9. ↑ Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice (Journal Article) | OSTI.GOV. Дата обращения: 3 июня 2021. Архивировано 9 июля 2023 года.
  10. ↑ Charlie Osolin. Public Affairs Office: Recreating the Bizarre State of Water Found on Giant Planets. Llnl.gov. Дата обращения: 24 декабря 2010. Архивировано из оригинала 9 марта 2013 года.
  11. ↑ 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.
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Суперионная_вода&oldid=137294439