Wissenschaftler entdecken neue Form von Eis – möglicherweise weit verbreitet auf fernen, wasserreichen Planeten

UNLV-Physiker leisteten im Rahmen ihrer Entdeckung einer neuen Form von Eis Pionierarbeit bei einer neuen Technik der Lasererwärmung in einer Diamantambosszelle (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 unter unterschiedlichen Temperatur- und Druckbedingungen verschiedene feste Materialien bilden kann, wie z. B. Kohlenstoff, der Diamant oder Graphit bildet. Wasser ist in dieser Hinsicht jedoch eine Ausnahme, da es mindestens 20 feste Eisformen gibt, von denen wir wissen.

Ein Team von Wissenschaftlern, die am Nevada Extreme Conditions Lab des UNLV arbeiten, hat eine neue Methode zur Messung der Eigenschaften von Wasser unter hohem Druck entwickelt. Die Wasserprobe wurde zunächst zwischen die Spitzen zweier gegenüberliegender Diamanten gepresst und gefror zu mehreren gemischten Eiskristallen. Das Eis wurde dann einer Lasererhitzungstechnik unterzogen, die es vorübergehend schmolz, bevor es sich schnell wieder in eine Ansammlung winziger pulverartiger Kristalle verwandelte.

Durch allmähliche Erhöhung des Drucks und regelmäßige Bestrahlung mit dem Laserstrahl beobachtete das Team, dass das Wassereis von einer bekannten kubischen Phase, Eis-VII, in die neu entdeckte intermediäre und tetragonale Phase, Eis-VII, überging, bevor es sich absetzte. in einer anderen bekannten Phase, Ice-X.

Zach Grande, Inhaber eines UNLV Ph.D. Student, leitete die Arbeit, die auch zeigte, dass der Übergang zu Ice-X, wenn das Wasser aggressiv steiler wird, bei viel niedrigeren Drücken erfolgt als bisher angenommen.

Es ist zwar unwahrscheinlich, dass wir diese neue Eisphase irgendwo auf der Erdoberfläche finden, aber sie ist wahrscheinlich ein häufiger Bestandteil des Erdmantels sowie großer Monde und reicher Planeten im Wasser außerhalb unseres Sonnensystems.

Die Ergebnisse des Teams wurden in der Ausgabe der Zeitschrift vom 17. März 2022 veröffentlicht. Körperliche Untersuchung B.

Essen zum Mitnehmen

Das Forschungsteam hatte daran gearbeitet, das Verhalten von Hochdruckwasser zu verstehen, das möglicherweise im Inneren entfernter Planeten vorhanden ist.

Dazu platzierten Grande und der UNLV-Physiker Ashkan Salamat eine Wasserprobe zwischen den Spitzen zweier runder Diamanten, die als Diamantambosszellen bekannt sind, ein Standardmerkmal auf dem Gebiet der Hochdruckphysik. Die Anwendung einer kleinen Kraft auf die Diamanten hat es den Forschern ermöglicht, Drücke nachzubilden, die so hoch sind wie die im Zentrum der Erde.

Indem die Wissenschaftler die Wasserprobe zwischen diese Diamanten drückten, brachten die Wissenschaftler die Sauerstoff- und Wasserstoffatome in eine Vielzahl unterschiedlicher Anordnungen, einschließlich der neu entdeckten Anordnung Ice-VIIt.

Die Laserheiztechnik, die erste ihrer Art, ermöglichte es Wissenschaftlern nicht nur, eine neue Phase von Wassereis zu beobachten, sondern das Team entdeckte auch, 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 heiß diskutiertes Thema in der Community.

„Zachs Arbeit hat gezeigt, dass diese Umwandlung in einen ionischen Zustand bei viel, viel niedrigerem Druck erfolgt als bisher angenommen“, sagte Salamat. „Es ist das fehlende Teil und die genauesten Messungen, die jemals unter diesen Bedingungen auf dem Wasser durchgeführt wurden.“

Die Arbeit rekalibriert auch unser Verständnis der Zusammensetzung von Exoplaneten, fügte Salamat hinzu. Die Forscher stellen die Hypothese auf, dass die Eis-VIIt-Phase des Eises in der Kruste und im oberen Mantel von erwarteten wasserreichen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems reichlich vorhanden sein könnte, was bedeutet, dass sie bewohnbare Bedingungen für das Leben 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 Untersuchung B.
DOI: 10.1103/PhysRevB.105.104109

Mitarbeiter des Lawrence Livermore National Laboratory verwendeten einen großen Supercomputer, um die Umlagerung von Bindungen zu simulieren, und sagten voraus, dass 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.