Einen Wassertropfen mit einem der leistungsstärksten Laser der Welt abzuschießen, ist vielleicht keine naheliegende Möglichkeit, einen Eiswürfel herzustellen. Aber es ist eine Möglichkeit, zumindest wenn Sie die Art von Eis wollen, die Sie tief im Inneren planetarischer Riesen finden könnten.
Wissenschaftler kennen seit Jahrzehnten exotische Eisformen, haben es aber erst vor kurzem geschafft, einige der extremeren Arten im Labor zu erschaffen.
Eine neue Studie von Forschern der University of Chicago und der Carnegie Institution of Washington in den USA hielt kürzlich einen Wassertropfen in einem Diamantgriff, drehte den Druck auf und kochte ihn mit einem Laser, um zu erfahren, wie er zu einem “Superionischen” gefriert. Zustand.
Theoretisch ist superionisches Eis die Anordnung von Wassermolekülen als Gitter von Sauerstoffatomen, umgeben von einem Pool zappeliger Wasserstoffe, die einfach nicht still sitzen. Es ist technisch gesehen Eis, aber wie eine Flüssigkeit und ein Feststoff in einem.
Es ist auch die Art von Eis, die sich nicht bei niedrigen Temperaturen bildet, sondern bei extremen Drücken. Denken Sie an das Druckniveau, das sich natürlich tief, tief unter der Erde oder noch besser in der Nähe des Kerns massereicher Planeten wie Neptun bildet.
Während Modelle einige der Bedingungen vorhersagen, unter denen diese Wasserphase auftreten sollte, sind sie etwas vage, wenn es um die genauen Temperaturen geht.
Im Zentrum des Problems steht die Frage nach dem sogenannten Tripelpunkt – der Kombination aus Druck und Temperatur, bei der eine Substanz kurz vor dem Schmelzen, Einfrieren und Sublimieren steht.
Um es noch komplizierter zu machen, kann auch die Art der festen Struktur, in der sich Wasser absetzen kann, variieren. Eis kommt in vielen Formen vor, abhängig von den Anordnungen und Bewegungen seiner Bestandteile.
Experimente könnten helfen, den Weg charakteristischer Veränderungen zwischen flüssigen und superionischen Zuständen aufzuzeigen, aber bis jetzt war es eine echte Herausforderung, zuverlässige Ergebnisse zu erhalten, da die Beobachtungen mit verschiedenen Methoden um Hunderte von Graden widersprachen.
Normalerweise muss eine Wasserprobe einem Druck von mindestens 50 Gigapascal ausgesetzt werden – einer halben Million Mal der Kraft, die Sie gerade unter der Erdatmosphäre erfahren – und dann mit einem Hochleistungslaser erhitzt werden, um fast alles Wichtige zu sehen.
Der Laboraufbau. (Vitali Prakapenka)
Als ein Team von Physikern der Advanced Photon Source (APS) des Department of Energy damit begann, Wasser in einem Diamant-Schraubstock mit relativ milden 20 Gigapascal auszupressen, hatten sie nicht viel erwartet.
„Es war eine Überraschung – alle dachten, dass diese Phase erst auftreten würde, wenn der Druck viel höher ist als dort, wo wir sie zuerst finden“, sagt der Geophysiker Vitali Prakapenka von der University of Chicago.
”Aber wir konnten die Eigenschaften dieses neuen Eises, das eine neue Phase der Materie darstellt, dank mehrerer leistungsstarker Werkzeuge sehr genau abbilden.”
Mit ihrer superionischen Eisprobe konnte das Team den APS-Beschleuniger verwenden, um einen Röntgenstrahl zu erzeugen; Wenn sie von der Eisprobe gestreut werden, zeigen diese Röntgenstrahlen die Positionen ihrer Atome an.
Auf diese Weise konnten sie messen, wann das Wasser bei veränderten Bedingungen bestimmte Phasenübergänge durchlief, und die Schritte beschreiben, die zur Umwandlung in superionisches Eis erforderlich sind.
Sie konnten den Druck in ihrem Diamantamboss ankurbeln und auf 6.500 Grad Kelvin erhitzen, wodurch sie die Stabilität von zwei Phasenänderungen von Eis bei hohen Temperaturen von 20 bis hin zu 150 Gigapascal abbilden konnten.
Aufgrund der Art und Weise, wie sich die Wasserstoffe im exotischen Eis bewegen, kann sichtbares Licht nur schwer durchdringen und erscheint schwarz.
Das Summen von Wasserstoffatomen, die durch ein Sauerstoffgitter strömen, könnte sich auch auf das umgebende elektromagnetische Feld auswirken und vielleicht sogar eine Rolle bei der Bildung der eigenen schützenden Magnetosphäre eines Planeten spielen.
Wir fangen gerade erst an zu lernen, wie die Bewegungen der Ozeane unseres Planeten und die Chemie seines Mantels einen subtilen Einfluss auf den Magnetismus unserer Welt haben. Zu lernen, wie exotisches Eis auch einen Schubs ausübt, könnte uns helfen, unsere Modelle weiter zu optimieren.
Was dies für außerirdische Welten oder sogar unseren eigenen Planeten bedeuten könnte, erfordert noch viel mehr Untersuchungen.
„Es ist ein neuer Aggregatzustand, also fungiert es im Grunde wie ein neues Material, und es kann sich von dem unterscheiden, was wir dachten“, sagt Prakapenka.
Diese Studie wurde veröffentlicht in Naturphysik.