|
Суперионный лед способствует пониманию магнитных аномалий на Нептуне и Уране
|
|
|
|
Обычный бытовой лед, как и лед, производимый холодильником, известен ученым как гексагональный лед (лед Ih) и не является единственной кристаллической фазой воды. Возможно более 20 различных фаз. Один из них, названный «суперионным льдом» или «льдом XVIII», представляет особый интерес, помимо прочего, потому, что считается, что он составляет большую часть Нептуна и Урана, планет, часто называемых «ледяными гигантами». В суперионной кристаллической фазе вода теряет свою молекулярную идентичность (H2O): отрицательные ионы кислорода (O2-) кристаллизуются в разветвленную решетку, а протоны в виде положительных ионов водорода (H+) образуют жидкость, которая свободно плавает внутри кислорода. решетка.
|
|
|
|
«Ситуацию можно сравнить с металлическим проводником, таким как медь, с той большой разницей, что положительные ионы образуют кристаллическую решетку в металле, а электроны, несущие отрицательный заряд, могут свободно блуждать по решетке», — сказал Морис де Конинг, исследователь. профессор Физического института им. Глеба Ватагина при Государственном университете Кампинас (IFGW-UNICAMP) в штате Сан-Паулу, Бразилия. Де Конинг руководил исследованием, результатом которого стала статья, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) и помещенная на обложке номера от 8 ноября 2022 года. Он пояснил, что суперионный лед образуется при чрезвычайно высоких температурах в диапазоне 5000 Кельвинов (4700 °C) и давлении около 340 гигапаскалей, что в 3,3 миллиона раз превышает стандартное атмосферное давление Земли. Следовательно, на нашей планете невозможно существование устойчивого суперионного льда.
|
|
|
Однако он может существовать на Нептуне и Уране. На самом деле ученые уверены, что большое количество льда XVIII скрывается глубоко в их мантии благодаря давлению, возникающему из-за огромных гравитационных полей этих гигантов, что подтверждается сейсмографическими данными. «Электричество, проводимое протонами через кислородную решетку, тесно связано с вопросом, почему ось магнитного поля не совпадает с осью вращения на этих планетах. На самом деле они значительно смещены», — сказал Де Конинг. Измерения, сделанные космическим зондом «Вояджер-2», который пролетел мимо этих далеких планет на пути к краю Солнечной системы и дальше, показывают, что оси магнитных полей Нептуна и Урана образуют углы 47 градусов и 59 градусов при их соответствующем вращении. оси.
|
|
Эксперименты и моделирование
|
|
|
|
На Земле в ходе эксперимента, о котором сообщалось в журнале Nature в 2019 году, удалось произвести крошечное количество льда XVIII за 1 наносекунду (миллиардную долю секунды), после чего материал распался. Исследователи использовали лазерные ударные волны для сжатия и нагрева жидкой воды. Согласно статье в Nature, шесть мощных лазерных лучей были запущены в определенной временной последовательности, чтобы сжать тонкий слой воды, заключенный между двумя алмазными поверхностями. Ударные волны отразились между двумя твердыми алмазами, чтобы достичь однородного сжатия водного слоя, что привело к суперионной кристаллической фазе за очень короткое время.
|
|
|
|
«В этом последнем исследовании мы не проводили реальный физический эксперимент, а использовали компьютерное моделирование для изучения механических свойств льда XVIII и выяснения того, как его деформации влияют на явления, наблюдаемые на Нептуне и Уране», — сказал Де Конинг. Ключевым аспектом исследования было развертывание теории функционала плотности (DFT), метода, полученного из квантовой механики и используемого в физике твердого тела для разрешения сложных кристаллических структур. «Прежде всего, мы исследовали механическое поведение безупречной фазы, которой не существует в реальном мире. Затем мы добавили дефекты, чтобы увидеть, к каким макроскопическим деформациям это приведет», — пояснил он.
|
|
|
|
Кристаллические дефекты обычно представляют собой точечные дефекты, характеризующиеся ионными вакансиями или вторжением ионов из других материалов в кристаллическую решетку. В данном случае это не так. Де Конинг имел в виду линейные дефекты, известные как «дислокации», которые возникают из-за угловых различий между соседними слоями, что приводит к образованию складок, напоминающих смятый ковер. «В физике кристаллов дислокация постулировалась в 1934 году, но впервые наблюдалась экспериментально в 1956 году. Это тип дефекта, который объясняет очень многие явления. Мы говорим, что дислокация для металлургии — это то же самое, что ДНК для генетики», — сказал Де Конинг.
|
|
|
|
В случае суперионного льда сумма дислокаций вызывает сдвиг — макроскопическую деформацию, знакомую минералогам, металлургам и инженерам. «В нашем исследовании мы, среди прочего, подсчитали, какое усилие необходимо приложить к кристаллу, чтобы он разрушился из-за сдвига», — сказал Де Кениг. С этой целью исследователям пришлось рассмотреть относительно большую ячейку материала, содержащую около 80 000 молекул. Вычисления требовали чрезвычайно тяжелых и сложных вычислительных методов, включая нейронные сети, машинное обучение и составление различных конфигураций на основе DFT. «Это был самый интересный аспект исследования, объединяющий знания в области металлургии, планетологии, квантовой механики и высокопроизводительных вычислений», — сказал он.
|
|
|
|
Источник
|
