UNLV-Physiker leisteten im Rahmen ihrer Entdeckung einer neuen Form von Eis Pionierarbeit bei einer neuen Laser-Heiztechnik in einer Diamant-Amboss-Zelle (hier abgebildet). Bildnachweis: Chris Higgins
Die Ergebnisse könnten Auswirkungen auf unser Verständnis entfernter, wasserreicher Planeten haben.
NLV-Forscher haben eine neue Form von Eis entdeckt, die die Eigenschaften von Wasser bei hohem Druck neu definiert.
Festes Wasser oder Eis ist wie viele andere Materialien insofern, als es basierend auf variablen Temperatur- und Druckbedingungen verschiedene feste Materialien bilden kann, wie Kohlenstoff, der Diamant oder Graphit bildet. Wasser ist jedoch in dieser Hinsicht außergewöhnlich, da uns mindestens 20 feste Eisformen bekannt sind.
Ein Team von Wissenschaftlern, die im Nevada Extreme Conditions Lab des UNLV arbeiten, leistete Pionierarbeit bei einer neuen Methode zur Messung der Eigenschaften von Wasser unter hohem Druck. Die Wasserprobe wurde zuerst zwischen die Spitzen zweier einander gegenüberliegender Diamanten gequetscht und gefror zu mehreren durcheinandergebrachten Eiskristallen. Das Eis wurde dann einer Lasererhitzungstechnik unterzogen, die es vorübergehend schmolz, bevor es sich schnell wieder zu einer pulverartigen Ansammlung winziger Kristalle formte.
Durch schrittweises Erhöhen des Drucks und regelmäßiges Bestrahlen mit dem Laserstrahl beobachtete das Team, wie das Wassereis den Übergang von einer bekannten kubischen Phase, Ice-VII, zu der neu entdeckten intermediären und tetragonalen Phase, Ice-VII, machte, bevor es sich absetzte in eine andere bekannte Phase, Ice-X.
Zach Grande, ein UNLV Ph.D. Student, leitete die Arbeit, die auch zeigte, dass der Übergang zu Ice-X, wenn sich Wasser aggressiv versteift, bei viel niedrigeren Drücken erfolgt als bisher angenommen.
Obwohl es unwahrscheinlich ist, dass wir diese neue Eisphase irgendwo auf der Erdoberfläche finden werden, ist sie wahrscheinlich ein häufiger Bestandteil im Erdmantel sowie in großen Monden und wasserreichen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems.
Die Ergebnisse des Teams wurden in der Ausgabe der Zeitschrift vom 17. März 2022 veröffentlicht Körperliche Überprüfung B.
Imbiss
Das Forschungsteam hatte daran gearbeitet, das Verhalten von Hochdruckwasser zu verstehen, das im Inneren entfernter Planeten vorhanden sein könnte.
Zu diesem Zweck platzierten Grande und der UNLV-Physiker Ashkan Salamat eine Wasserprobe zwischen den Spitzen zweier rund geschliffener Diamanten, die als Diamantambosszellen bekannt sind, ein Standardmerkmal auf dem Gebiet der Hochdruckphysik. Indem sie ein wenig Kraft auf die Diamanten ausübten, konnten die Forscher Drücke nachbilden, die so hoch waren wie im Zentrum der Erde.
Indem die Wasserprobe zwischen diese Diamanten gepresst wurde, brachten die Wissenschaftler die Sauerstoff- und Wasserstoffatome in eine Vielzahl unterschiedlicher Anordnungen, einschließlich der neu entdeckten Anordnung Ice-VIIt.
Die einzigartige Laserheiztechnik ermöglichte es Wissenschaftlern nicht nur, eine neue Phase von Wassereis zu beobachten, sondern das Team fand auch heraus, dass der Übergang zu Ice-X bei Drücken erfolgte, die fast dreimal niedriger waren als bisher angenommen – bei 300.000 Atmosphären statt 1 Million. Dieser Übergang ist seit mehreren Jahrzehnten ein viel diskutiertes Thema in der Community.
„Zachs Arbeit hat gezeigt, dass diese Umwandlung in einen ionischen Zustand bei viel, viel niedrigerem Druck erfolgt, als jemals zuvor angenommen wurde“, sagte Salamat. „Es ist das fehlende Teil und die genauesten Messungen, die es je auf Wasser bei diesen Bedingungen gegeben hat.“
Die Arbeit rekalibriert auch unser Verständnis der Zusammensetzung von Exoplaneten, fügte Salamat hinzu. Forscher vermuten, dass die Eis-VIIt-Phase des Eises in der Kruste und im oberen Mantel von erwarteten wasserreichen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems in Hülle und Fülle vorhanden sein könnte, was bedeutet, dass sie lebensfähige Bedingungen haben könnten.
Referenz: „Druckgesteuerte Symmetrieübergänge in dichtem H2O ice“ von Zachary M. Grande, C. Huy Pham, Dean Smith, John H. Boisvert, Chenliang Huang, Jesse S. Smith, Nir Goldman, Jonathan L. Belof, Oliver Tschauner, Jason H. Steffen und Ashkan Salamat, 17. März 2022, Körperliche Überprüfung B.
DOI: 10.1103/PhysRevB.105.104109
Mitarbeiter des Lawrence Livermore National Laboratory verwendeten einen großen Supercomputer, um die Bindungsumlagerung zu simulieren – und sagten voraus, dass die Phasenübergänge genau dort stattfinden sollten, wo sie durch die Experimente gemessen wurden.
Weitere Mitarbeiter sind die UNLV-Physiker Jason Steffen und John Boisvert, der UNLV-Mineraloge Oliver Tschauner und Wissenschaftler des Argonne National Laboratory und der University of Arizona.