物理学者は初めて超イオン氷を手に入れました

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物理学者は初めて超イオン氷を手に入れました
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超イオン氷モデル。ボールは酸素原子、線を示します-水素イオンの軌道

アメリカの物理学者は、初めて実験的に超イオン氷を取得しました。これは、酸素イオンが堅い結晶格子を形成し、水素イオンがそれに沿って自由に移動する特殊な氷の状態です。理論的には、この氷の形は30年前に予測されていましたが、実験的に初めて得られたと、科学者たちはNaturePhysicsに書いています。

約30年前、数千度の超高圧と高温では、水氷が超イオンの形で存在する可能性があると理論的に予測されていました。この状態では、酸素イオンは固い結合格子を形成し、水素イオンは液体のようにこの格子に沿って移動します。超イオン性氷が形成される条件は、たとえば、海王星や天王星、つまり天王星型惑星のグループの惑星に特徴的であり、その深さにはかなりの数の高温の氷の変化があり、その中にはおそらく超イオン性でもあります。しかし、これまで、実験室の条件下でそのような氷を取得し、この相の存在を実験的に確認することはできませんでした。

リバモア国立研究所のマリウス・ミローが率いるアメリカの物理学者は、研究所で初めて超イオン氷を入手することができました。これを行うために、科学者はレーザーの作用下で氷VIIの衝撃圧縮を使用しました。 Ice-VIIは、氷の無秩序な立方体の変形の1つであり、約2.5ギガパスカル(大気圧の25,000倍)の圧力と室温で得られます。研究の著者は、ダイヤモンドアンビルを備えたセル内でそのような氷を合成し、その後、レーザーの助けを借りて、衝撃波がその中で励起され、毎秒4〜10 kmの速度で伝播し、局所的な加熱と圧力の増加。必要な条件が非常に短時間(約10〜20ナノ秒)発生し、その後水が蒸発しました。

科学者たちは、干渉速度計と高温計を使用して氷の状態を監視しました。これにより、光学特性によって圧力と温度を推定することができます。さらに、密度汎関数理論と分子動力学を使用した数値シミュレーションの助けを借りて、物理学は、使用された条件下で、超イオン氷が実際に形成されるはずであることを示しました。得られた結果によると、超イオン性の氷が形成される可能性があると、融点が大幅に上昇します。融点は、約5000度の温度と190ギガパスカルの圧力でのみ始まります。

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天王星型惑星の腸に典型的な条件の水氷の状態図:非常に高い圧力と温度。ドットは、既知の実験データと計算データを示しています。

研究の著者はまた、超イオン性氷も非常に高いイオン伝導性を特徴とすることを示しました。このような構造内の水素カチオンは比較的自由に動くため、プロトン伝導度は1センチメートルあたり100ジーメンスを超えます。この場合、小さな電子伝導率も保持されます。

研究の著者によると、固体から液体ではなく超イオン状態への転移の可能性は、約50〜70ギガパスカルの圧力で他の研究で観察された水中の他の相転移を説明することができます。

科学者たちは、超イオン氷の存在の実験的確認は、第一に、数値計算とモデリングに現在使用されているコンピューターモデルの適用可能性を示し、第二に、天体の水の状態に関する非常に重要な情報を大量に提供すると主張しています。同様の温度と圧力が特徴です。たとえば、天王星型惑星について得られた結果に基づいて、それらの氷の殻の機械的、磁気的、および電子的特性を推定することが可能です。

水素と酸素は太陽系で最も豊富な元素の一部であり、水分子は非常に安定した構造を持っているため、天王星型惑星だけでなく、小さな惑星やその他の惑星にもかなりの数の異なる形態の氷が見られます。天体。たとえば、最近火星で、科学者は氷が惑星の表面に来る8つの領域を一度に発見しました。その前に、ドーンプローブの助けを借りて、準惑星セレスと小惑星西部で氷が発見されました。

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