Kompressionsexperiment gör att flytande vatten kan drivas till ett extremt underkylt tillstånd och bilda kärnor i en högtryckspolymorf känd som is VII. Teoretiskt arbete vid LLNL har avslöjat detaljerna i kärnbildnings- och tillväxtkinetiken för denna stelningsprocess. Denna unika fas av is tros existera nära kärnan av "havvärldens" planeter, nyligen upptäckt genom observation. Kredit:Lawrence Livermore National Laboratory
Ett team av teoretiker från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har löst ett långvarigt pussel i kärnbildningen av en högtrycksfas av is känd som is VII, som tros existera nära kärnan av "havvärldens" planeter som nyligen upptäckts utanför solsystemet, och har nyligen upptäckts existera inom jordens mantel. Fynden beskrivs i en tidning publicerad idag av Fysiska granskningsbrev .
Vatten har visat sig frysa till is VII i laboratorieexperiment som använder stöt- eller rampvågor för att komprimera flytande vatten till tryck som överstiger 100, 000 gånger det som finns vid omgivningsförhållanden. Dock, experiment utförda av olika forskargrupper har presenterat motsägelsefulla former av kärnbildning. I ett fall, is kärnor heterogent (bildas på en närliggande materialyta) men i andra studier har is visat sig bilda homogen (inom huvuddelen av vattenprovet) och med en mycket snabbare kristallisationshastighet, med hela provet fryst på en häpnadsväckande kort tidsskala på 10 nanosekunder.
"Förhållandena som skapas av stötkompression är ovanliga eftersom de producerar en enorm drivkraft för systemet att kärna - det finns unika hänsyn som måste tas i beaktande för stelning vid högt tryck, sade Philip Myint, en anställd vid Physics Division vid LLNL och huvudförfattare till forskningen, som också finns med som ett "Redaktörsförslag" i tidskriften. "Vätskan drivs bort från jämvikt så snabbt att det tar ytterligare tid för kluster att dyka upp, en process som kallas transient kärnbildning."
Myint och medförfattare fann att denna övergående kärnbildningsmekanism har en djupgående effekt på tidsskalan för kristallisering, en insikt som förändrar hur högtrycksexperiment kan genomföras i framtiden.
Kärnbildning av en kristall börjar med bildandet av ett kluster av atomer, skapa ett gränssnitt som varken är flytande eller fast. I iskallt vatten vid omgivningstryck, det finns ett lager av värme som rinner före gränsytan mellan vätska och fast substans. Det nya teoretiska arbetet om is VII-kinetik målar upp en helt annan bild, med praktiskt taget inget lager av värme framför gränssnittet.
Molekylär ordning av isens VII-struktur. Gränssnittet vätska/is VII spelar en nyckelroll i kärnbildningsprocessen, vilket resulterar i kritiska kluster på mindre än 100 molekyler som behövs för att kristallisera provet vid högt tryck. Kredit:Lawrence Livermore National Laboratory
"Denna extrema temperaturojämvikt mellan vätskan och växande is VII-kristall kommer från den extremt höga underkylningen som driver vätskan att frysa. Som ett resultat, det finns inget behov av den långsamma processen för borttagning av latent värme och gränssnittshastigheten styrs endast av mycket snabb molekylär ordning vid gränssnittet, " sa medförfattaren Alex Chernov, en LLNL-fysiker och en auktoritet inom området för kristalltillväxt. "Vidare, kärnbildningsprocessen i detta system är extremt speciell jämfört med vad som är allmänt känt om stelning, med en enda kritisk kärna som innehåller mindre än 100 vattenmolekyler. Det här är en regim där gränserna för vår fysiska förståelse testas."
Den teoretiska modellen som utvecklats av teamet (som bygger på deras tidigare arbete, publicerad här och här), vilket förklarar mer än ett dussin högtrycksfrysningsexperiment, kan också belysa användningsområden där mycket höga kärnbildningshastigheter är önskvärda, såsom i materialsyntes och minneslagringsteknik.
"Förståelsen och kontrollen av korsskaliga dynamiska korrelationer som förekommer i materia tagen långt från jämvikt är kanske den viktigaste forskningsfronten och okända idag, och framsteg på detta område kommer att vara nyckeln till 2000-talets teknologikapplöpning, " sa medförfattaren Babak Sadigh, en LLNL-fysiker och expert på icke-jämviktsfenomen. "Genom att dissekera termodynamiken och kinetiken för gränssnitt, det finns helt nya klasser av problem som kan studeras och, i sista hand, kontrollerade. En helig gral är att designa självreglerande dynamiska system och maskiner som kan använda dissipativ dynamik långt ifrån jämvikt för att utföra komplexa uppgifter, som i biologiska system - kontroll av kärnbildning är ett steg på denna väg."
Enligt teamet, det grundläggande genombrottet var möjligt först efter att ha förkastat de empiriska tillvägagångssätt som hade anammats av den bredare chockfysikgemenskapen tills nyligen.
"I mer än ett decennium, chockkompressionsgemenskapen har varit oförstående att förstå vad som händer i den kompressiva frysningen av vatten och dess observerade kinetik. Jag tror att en fysikbaserad teori för hur is VII stelnar äntligen är här, åtminstone för det homogena kärnbildningsfallet, sa Jon Belof, projektledare för kinetikforskning inom fysik och teknisk modellutveckling under LLNL:s Advanced Simulation and Computing-program och motsvarande författare till artikeln.
Framtida teoretiskt arbete kommer att fokusera på att bättre förstå scenariot med heterogen kärnbildning, som teamet fann spelar en mer framträdande roll vid lägre tryck. "Det är den verkliga utmaningen, " sa Belof. "Kärnbildning är en sällsynt händelse och, i princip, det krävs bara en enda heterogen plats för att börja med det."
