Aneue Studievon einem Team der University of Chicago, veröffentlicht in der Zeitschrift vom 14. Oktober 2021Naturphysik, berichtet über die Entstehung eines neuen Phase aus Eis, das "superionisches Eis" genannt wird. Wie sich herausstellte, das Eis, das in unseren Cola-Gläsern klingelt, bekannt als Ih, ist eigentlich nur eine von mindestens 19 verschiedenen Eisphasen.
Aus Wasser gebildet, besteht Eis nur aus Wasserstoff- und Sauerstoffatomen im berühmten H2O-Konfiguration von zwei Wasserstoffatomen, die an ein Sauerstoffatom gebunden sind.
Eine faszinierende Idee ist, dass Eis superionisch werden kann, wenn es bei sehr hohen Temperaturen und Drücken erhitzt wird. Dieser exotische Zustand würde flüssigkeitsähnliche Wasserstoffionen enthalten, die sich innerhalb eines festen Sauerstoffgitters bewegen.
Superionisches Eis wurde erstmals 1988 vorhergesagt, und seitdem haben eine Reihe von Forschungsgruppen Simulations- und statische Kompressionstechniken verwendet, um diese Eisphase zu untersuchen.
Der erste experimentelle Beweis für superionisches Wassereis stammt aus einer Studie von Wissenschaftlern aus dem Jahr 2018Lawrence Livermore National Laboratory LLNL, UC Berkeley und die University of Rochester. Sie haben zuerst ein Wassertröpfchen zwischen zwei Diamanten geklemmt, die wie Miniaturambosse funktionierten, und drückten das Tröpfchen mit 2,5 GPa Druck 25.000 Atmosphären. Dieses "vorkomprimierte" Wasser in das Raumtemperatur-Eis VII, eine kubische kristalline Form von Eis.
Das Team wechselte dann zum Labor für Laserenergetik der University of Rochester, wo sie einen der Diamanten mit bis zu sechs intensiven UV-Lichtstrahlen beschossen. Dadurch wurden starke Stoßwellen von mehreren hundert GPa in die Probe geschossen, um die Probe zu komprimieren und zu erhitzenDas Ergebnis bestätigte die Existenz von superionischem Eis, konnte es jedoch nur für wenige Nanosekunden erzeugen, bevor es schmolz - nicht lange genug, um seine Eigenschaften zu messen.
In einer neueren Studie aus dem Jahr 2019 konnte das Team eine stabilere Form des Eises herstellen, indem Drücken eines Wassertropfens mit einem 0,2-Karat-Diamantamboss und Strahlen mit einem Laser, wobei der Tropfen bei Temperaturen, die heißer als die Sonnenoberfläche sind, auf das 3,5 Millionenfache des Atmosphärendrucks der Erde gebracht wird. Das Eis war die achtzehnte Form, die entdeckt wurde,und wurde so Ice XVIII "Ice 18" genannt.
In Ice XVIII nahmen Sauerstoffatome in den Tröpfchen stationäre Positionen ein, während die Wasserstoffatome, denen ihre Elektronen entzogen wurden und sie somit in positiv geladene Ionen verwandelten, frei durch das Eis strömten und wie eine Flüssigkeit wirkten. Die freien-fließende Ionen blockierten alles Licht daran, durch das Eis zu dringen, wodurch das Eis schwarz wurde.
Die 2021 vom Team in Chicago veröffentlichte Arbeit verwendete ähnliche Methoden, um eine weitere Phase des superionischen Eises aufzuklären.Sie drückten Wassertröpfchen in einem Diamantamboss auf einen Druck von 20 GPa und schossen Laser durch die Diamanten, um die Probe aufzuheizen. Schließlich schickten sie einen Röntgenstrahl durch die Probe und setzten die Anordnung der Atome zusammenim superionischen Eis, indem man beobachtet, wie die Röntgenstrahlen von der Probe gestreut werden.
Die positiv geladenen, frei fließenden Wasserstoffionen im superionischen Eis erzeugen auch ein Magnetfeld, und dies ist für Wissenschaftler hochinteressant, da viele eisige Körper in unserem Sonnensystem wie Neptun, Uranus und Jupiters Monde Europa, Io, und Ganymed, haben Magnetfelder. Wissenschaftler fragen sich nun, ob diese Magnetfelder durch das Vorhandensein von superionischem Eis in den Kernen dieser Körper verursacht werden.
Diese Frage ist wichtig, da das Magnetfeld eines Planeten oder Magnetosphäre, verhindert, dass gefährliche kosmische Strahlen und UV-Strahlung die Oberfläche eines Planeten erreichen und alles Leben auslöschen. Wenn superionisches Eis in den Kernen von Planeten außerhalb unseres Sonnensystems verbreitet ist, würde dies die Möglichkeit des Lebens auf anderen Planeten erheblich erhöhenwahrscheinlich.
Verschiedene Eisphasen
Die verschiedenen Eisphasen unterscheiden sich durch ihre kristalline Struktur oder die Anordnung ihrer Protonen und auch durch ihre Dichte. Das häufigste Eis auf der Erde, Ih, tritt auf, wenn flüssiges Wasser auf unter 32 ° F, 0 ° C oder 273,15 ° K bei Standardatmosphärendruck abgekühlt wird.
ichh hat eine hexagonale oder sechsseitige kristalline Struktur, und diese Struktur spiegelt sich in der unendlichen Vielfalt sechsseitiger Schneeflocken wider. In IhDie Sauerstoffatome nehmen die hexagonale Form an, während die Wasserstoffatome Positionen um sie herum einnehmen. Die Wasserstoffatome werden als "ungeordnet" bezeichnet.
Die zweithäufigste Eisphase auf der Erde, Icec, hat Atome, die in einer Diamantstruktur angeordnet sind. Es wird bei Temperaturen zwischen 130 K -226 °F und 220 K -64 °F gebildet und kann bis zu 240 K -28 °F existieren undkann in der oberen Atmosphäre der Erde gefunden werden, wo es spielt bei sehr tiefen Temperaturen eine Rolle bei der Keimbildung von Eis.
Ice II hat eine rhomboedrische Kristallstruktur, mit sechs Gesichtern, die Rhomben sind, und es wird durch Komprimieren von I gebildeth zwischen 190 K -118 °F und 210 K -82 °F. Ice III hat eine tetragonale kristalline Struktur bestehend aus von drei Achsen im rechten Winkel, von denen zwei gleich sind, und es entsteht durch Abkühlen Ih bis 250 K -370 °F bei einem Druck von 300 MPa. 1 Megapascal MPa entspricht 145,04 Pfund psi.
Um Ice IV zu erstellen, das eine rhomboedrische Struktur hat, benötigen Sie ein Nukleierungsmittel was die Temperatur beeinflusst, bei der die Kristallisation auftritt. Eis IV ist die niedrigste Hochdruck-Eisphase bei Raumtemperatur und wurde spektroskopisch in Diamanteinschlüssen gefunden.Es erfordert einen Druck von 810 MPa. Eis V wird durch Kühlen von Wasser auf 253 K -4,27 ° F bei 500 MPa gebildet und es hat eine komplizierte kristalline Struktur, einschließlich 4-gliedriger, 5-gliedriger, 6-gliedriger und 8-gliedriger Ringe und insgesamt 28 Moleküle in der Elementarzelle.
Eis VI hat eine tetragonale kristalline Struktur und wird bei Temperaturen bis zu 355 K 179,33 ° F und einem Druck von 1,1 GPa gebildet. Die Sauerstoffatome in Eis VII haben eine kubische Struktur. Dieses Eisist insofern einzigartig, als es selbst bei sehr hohen Drücken von über 30.000 Atmosphären 3 Gigapascal stabil bleibt. Im Jahr 2018 fanden Forscher der University of Nevada die ersten Proben von natürlich vorkommendem Eis VII auf der Erde in Diamanten.
In Ice VIII, das durch Abkühlen von Ice-VII auf unter 278 K 40.73 °F bei etwa 2.1 GPa gebildet wird, nehmen die Wasserstoffatome feste Positionen ein.
Eis IX, das 1968 entdeckt wurde, hat eine tetragonale Struktur und wird aus Eis-3 durch Abkühlen auf zwischen 208 K -85.27 °F bis 165 K -163 °F mit Drücken zwischen 200 MPa . gebildetund 400 MPa. Die Atome in Ice X sind protonengeordnet, symmetrisch und bilden sich bei etwa 60 bis 70 GPa. Ice X gilt auch als stabil gegenüber sehr hohen Temperaturen.
Ice-11, das 1996 entdeckt wurde, ist derprotonengeordnet Phase von gewöhnlichem Eis und weist ausgerichtete Wasserdipole auf. Es kann unter Laborbedingungen bei Temperaturen um 72 K -330 °F synthetisiert werdenund es istferroelektrisch, was bedeutet, dass seine Atome spontan polarisiert werden können.
Ice XII hat eine tetragonale Struktur. Reines Eis XII kann aus Eis Ih bei 77 K −196,2 °C; −321,1 °F durch schnelle Kompression 0,81-1,00 GPa/min oder durch Erwärmen von hochdichtem amorphem Eis bei Drücken zwischen 810 und 1600 . erzeugt werdenMPa.
Eis XIII, das 2006 entdeckt wurde, ist ein protonengeordnete Form von Ice V. It hat eine monokline kristalline Struktur mitdrei ungleiche Achsen, von denen eine im rechten Winkel zu den anderen beiden steht. Es entsteht durch Dotieren von Wasser mit HCL in einem Verhältnis von etwa ein Molekül auf 5000 Wassermoleküle und Abkühlung auf unter 130 K -226 °F bei 500 MPa.
Ice XIV, das im selben Jahr entdeckt wurde, hat eine orthorhombische Struktur und wird bei Temperaturen unter 118 K -247 °F bei 1,2 GPa gebildet. Es ist die protonengeordnete Form von Eis XII.
Eis XV ist eine protonengeordnete Form von Eis VI und wird durch Kühlen von Wasser auf etwa gebildet130 K -226 ° F bei Drücken von 0,8 bis 1,5 GPa. Eis XVI ist die am wenigsten dichte experimentell erhaltene kristalline Form von Wasser, während Eis XVII, auch als quadratisches Eis bekannt, 2014 entdeckt wurde. Es bildet sich bei Raumtemperatur, wenn Wasser zwischen zwei Schichten von gepresst wirdGraphen bei mehr als 10.000 Atmosphären Druck. Graphen ist eine Form von Kohlenstoff, die aus einer einzelnen Schicht von Atomen besteht, die in einer zweidimensionalen Wabengitter-Nanostruktur angeordnet sind.
Die zuletzt entdeckte Eisphase ist Ice XIX, 2021 von einem Team der Universität Innsbruck beschrieben und von Forschern in Japan verifiziert. Die neu identifizierte Form von Eis ist eine wasserstoffgeordnete Form von VI, die ein zufälliges Muster von Wasserstoffatomen aufweist. Laut dem leitenden ForscherThomas Lörting, "Eis VI, Eis XV und Eis XIX sind in Bezug auf die Dichte alle sehr ähnlich, [weil] sie die gleiche Art von Netzwerk von Sauerstoffatomen teilen. Aber sie unterscheiden sich in Bezug auf die Positionen der Wasserstoffatome."
Imitiert das Leben Kunst?
1963, berühmter SchriftstellerKurt Vonnegut veröffentlichte einen Roman mit dem Titel Katzenwiege. Es ist eine seltsame Mischung aus Wissenschaft, Technologie, Kaltem Krieg und Religion. Es handelt sich um einen Schriftsteller, der in die Heimatstadt eines fiktiven Physik-Nobelpreisträgers namens Felix Hoenikker reist, um herauszufinden, was Hoenikker am Tag der USA tatwarf am 6. August 1945 die Atombombe auf Hiroshima ab.
Der Autor erfährt bald von Hoenikkers drei erwachsenen Kindern, dass der berühmte Wissenschaftler an diesem schicksalhaften Tag das Streichspiel "Cat's Cradle" gespielt hat. Der Autor erfährt auch, dass Hoenikker eine mysteriöse Substanz namens Ice-9 geschaffen hat, die eine Phase istEis, das bei Raumtemperatur fest bleibt und nicht schmilzt, bis die Temperatur 114,4 ° F erreicht.
Eine weitere unglückliche Eigenschaft von Ice-9 ist, dass es als Impfkristall fungiert und alle Wassermoleküle, die es berührt, in die Ice-9-Konfiguration schnappt. Dies würde alles Wasser auf der Erde in einen Festkörper verwandeln und damit alles Leben beenden.
Eine der Charaktere des Buches, Dr. Breed, erklärt dem Autor: „Es gibt mehrere Möglichkeiten … wie bestimmte Flüssigkeiten kristallisieren – einfrieren können – mehrere Arten, wie sich ihre Atome stapeln und in einer geordneten, starren Form einschließen könnenWeise." Breed fordert den Autor auf, "... an die verschiedenen Arten zu denken, wie Kanonenkugeln auf dem Rasen eines Gerichtsgebäudes gestapelt werden können, an die verschiedenen Arten, wie Orangen in eine Kiste gepackt werden können."
Breed sagt, " ... das Muster der unteren Schichten von Kanonenkugeln oder Orangen bestimmt, wie jede nachfolgende Schicht gestapelt und geschlossen wird. 'Die untere Schicht ist der Samen dafür, wie jede Kanonenkugel oder jede Orange, die danach kommt, wirdverhalten sich selbst gegenüber unendlich vielen Kanonenkugeln oder Orangen.'"
Das echte Ice-9 wurde erst 1968 entdeckt, fünf Jahre nach der Veröffentlichung von Vonneguts Buch. Zum Glück hat es keine der schädlichen Eigenschaften seines fiktiven Gegenstücks, und wir werden Ihnen nicht sagen, was passiertin dem Buch, wenn das fiktive Ice-9 alles Leben auf der Erde beendet, aber es lässt Sie sich über neue, noch zu entdeckende Eisphasen wundern.