Djupt inne i jorden finns vattenfickor, men vätskan där är inte som vattnet på ytan.

När de utsätts för ofattbart höga temperaturer och tryck, vatten uppvisar alla möjliga konstiga faser och egenskaper, från att förbli en vätska vid temperaturer 10 gånger högre än kokpunkten till att existera som en vätska och ett fast ämne samtidigt.

Denna konstiga värld är fortfarande inte helt förstådd, men ett team av forskare från University of Chicago körde kvantsimuleringar för att utveckla en ny modell av vattnets beteende vid extremt höga temperaturer och tryck. Beräkningsmätningarna, publicerad 18 juni i Förfaranden från National Academy of Sciences , bör hjälpa forskare att förstå vattens roll i mantelns sammansättning och eventuellt på andra planeter.

"Subtil fysik på molekylär nivå kan påverka egenskaper hos materia djupt inne i planeter, "sa Viktor Rozsa, en doktorand i UChicago och första författare på tidningen. "Hur vatten reagerar och transporterar laddning i molekylär skala påverkar vår förståelse av fenomen som sträcker sig från magma-rörelsen, vatten och andra vätskor till hela planetens magnetfält. "

Under de förhållanden som beaktas i studien - mer än 40 gånger varmare än våra dagliga förhållanden och 100, 000 gånger högre än atmosfärstrycket—vatten slits regelbundet sönder och återbildar sina egna kemiska bindningar. Resultatet är att det kan interagera väldigt annorlunda med andra mineral än vad det gör på jordens yta.

Forskare har försökt fastställa exakt hur dessa atomer interagerar i decennier:Det är extremt svårt att testa experimentellt, eftersom vatten kan reagera med själva instrumentet. "Det är förvånande hur lite vi vet om vatten under skorpan, "sa huvudförfattaren Giulia Galli, Liew -familjeprofessorn i molekylär teknik och professor i kemi vid UChicago och en senior forskare vid Argonne National Laboratory.

Men vatten under dessa förhållanden existerar i hela manteln - det är möjligt att det kan finnas mer vatten fördelat inuti jorden än det finns i haven - och forskare skulle vilja veta exakt hur det beter sig för att förstå dess roll på jorden och hur det rör sig genom manteln.

Gallis grupp byggde en modell genom att utföra kvantmekaniska simuleringar av en liten uppsättning vattenmolekyler vid extremt höga tryck och temperaturer - i intervallet för vad du behöver för att syntetisera en diamant.

Deras modell, byggd med hjälp av simuleringar utförda vid Research Computing Center vid UChicago, ger en förklaring till några av vattnets mer mystiska egenskaper vid sådana tryck, såsom kopplingen mellan bisarrt hög konduktivitet och hur dess molekyler tar isär och återassocierar.

Den förutsäger och analyserar också en kontroversiell uppsättning mätningar som kallas vattens vibrationsspektroskopiska signaturer, eller fingeravtryck av molekylär rörelse som beskriver hur molekyler interagerar och rör sig.

Förutom att öka förståelsen för vår egen planet, Galli sa, "förmågan att göra den typ av simuleringar som utförs i vårt papper kan få viktiga konsekvenser för modellering av exoplaneter." Många forskare, inklusive dem i UChicago, förminskar villkoren för avlägsna planeter som kan ha förutsättningar att skapa liv, och mycket av detta sökande kretsar kring vatten.

Galli är medlem i forskargruppen i Institute for Molecular Engineering:s vattentema, ledd av James Skinner, kronofamiljeprofessorn i molekylär teknik. Teamet försöker förstå det fysiska, kemiska och biologiska manifestationer av vatten, och att utveckla applikationer från innovativa reningsfilter, till nya material för avsaltning och skörd av litiumjoner, till nya katalysatorer för vattenkemi och desinfektion.

Medan vatten är överallt och intensivt viktigt för oss, Galli sa, det är notoriskt svårt att simulera och studera:"Detta är ett steg i den långa vägen till förståelse."