«Суперионный лед — это промежуточное состояние материи, которое мы не можем соотнести ни с чем, что мы знаем, — вот почему это интересно», — сказал Сальваторе Торквато, профессор химии, который вместе с Роберто Каром руководил работой над Ральфом В. 31 год, Дорнт, профессор химии. В отличие от воды или обычного льда, в суперионном льду молекулы воды диссоциируют на заряженные атомы, называемые ионами, при этом ионы кислорода заперты в твердой решетке, а ионы водорода движутся подобно молекулам в жидкости.Исследование, опубликованное 28 августа в Nature Communications, выявило совершенно новый тип суперионного льда, который они называют фазой P21 / c-SI, который возникает при давлениях даже более высоких, чем внутри гигантских ледяных планет нашей Солнечной системы. Две другие фазы суперионного льда, которые, как считается, существуют на планетах, — это объемно-центрированный кубический суперионный лед (BCC-SI) и суперионный лед с плотной упаковкой (CP-SI).
Каждая фаза имеет уникальное расположение ионов кислорода, которое дает различные свойства. Например, каждая из фаз позволяет ионам водорода течь определенным образом.
Эффекты этой ионной проводимости могли наблюдать ученые-планетологи в поисках суперионного льда. «Эти уникальные свойства могут быть использованы как сигнатуры суперионного льда, — сказал Торквато, — так что теперь, когда вы знаете, что искать, у вас больше шансов найти его».В отличие от Земли, у которой есть два магнитных полюса (северный и южный), у ледяных гигантов может быть много локальных магнитных полюсов, что, по мнению ведущих теорий, может быть связано с суперионным льдом и ионной водой в мантии этих планет. В ионной воде ионы кислорода и водорода демонстрируют поведение жидкости.
Ученые предположили, что тепло, исходящее от ядра планеты, может проходить через внутренний слой суперионного льда и посредством конвекции создавать вихри на внешнем слое ионной воды, которые вызывают локальные магнитные поля.Используя теоретическое моделирование, исследователи смогли смоделировать состояния суперионного льда, которые было бы трудно изучить экспериментально. Они смоделировали давление, превышающее максимально возможное давление в лаборатории, с помощью инструментов, называемых ячейками с алмазными наковальнями. Профессор Кар объяснил, что экстремальное давление может быть достигнуто с помощью экспериментов с ударной волной, но они основаны на создании взрыва и их трудно интерпретировать.
Исследователи рассчитали ионную проводимость каждой фазы суперионного льда и обнаружили необычное поведение при переходе, когда низкотемпературный кристалл, в котором ионы кислорода и водорода заблокированы вместе, превращается в суперионный лед. В известных суперионных материалах, как правило, проводимость может изменяться либо резко (тип I), либо постепенно (тип II), но тип изменения будет специфическим для материала.
Однако суперионный лед ломается от условностей, поскольку проводимость резко изменяется с температурой по всему кристаллу до плотноупакованного суперионного перехода и непрерывно в кристалле до перехода P21 / c-SI.В качестве фундаментального исследования группа исследователей изучала суперионный лед, обрабатывающий ионы, как если бы они были классическими частицами, но в будущих исследованиях они планируют учитывать квантовые эффекты, чтобы лучше понять свойства материала.
Эта работа была поддержана Национальным научным фондом (DMS-1065894) и Министерством энергетики США (DE-SC0008626 и DE-SC0005180).