• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Vatten som uppvisar bisarra metastabila fenomen när det komprimeras eller kyls snabbt

    Vattencellmål för Omega-experimenten. Vatten sprutas in i cellen med hjälp av påfyllningsrören som sätts in i toppen. Kredit:Carol Davis/LLNL

    Ny forskning som involverar forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) visar att vatten kan förbli flytande i ett metastabilt tillstånd när det övergår från flytande till en tät form av is vid högre tryck än tidigare uppmätt.

    Vatten under extrema förhållanden har nyligen uppmärksammats på grund av sitt komplexa fasdiagram, inklusive superjoniska isfaser med exotiska egenskaper som existerar vid höga tryck och densiteter. Hittills, 20 unika kristallina isfaser har hittats naturligt på jorden eller i laboratoriet. Vatten uppvisar också bisarra metastabila fenomen när det komprimeras eller kyls mycket snabbt, som har väckt intresse från fysiker över hela världen i många år.

    "Om vattnet komprimeras mycket snabbt, det kommer att förbli flytande i ett metastabilt tillstånd tills det slutligen kristalliseras till is VII vid ett högre tryck än förväntat, sa Michelle Marshall, en forskare vid Laboratory for Laser Energetics (LLE) vid University of Rochester, en före detta LLNL postdoc och huvudförfattare till studien som förekommer i Fysiska granskningsbrev .

    Ice VII är den stabila polymorfen av vatten vid rumstemperatur och vid tryck som överstiger ~2 GPa (mer än 19, 000 atmosfärer]. Nyligen, is VII hittades naturligt på jorden för första gången som inneslutningar i diamanter hämtade djupt i manteln. Det kan finnas inne i Jupiters iskalla månar och i vattenvärldar bortom vårt solsystem.

    Den nya forskningen visade hur vatten kan förbli flytande i ett metastabilt tillstånd när det genomgår övergången vätska till is-VII vid högre tryck än tidigare uppmätt. Tidigare experimentellt arbete vid den gigantiska pulskraftiga Z-anläggningen visade att det komprimerade vattnet omvandlas till is VII vid 7 GPa (69, 000 atmosfärer) när vattnet komprimeras över hundratals nanosekunder. De nya experimenten övergick istället till att använda högeffektslasrar vid Omega Laser Facility för att komprimera vatten över ännu kortare tidsskalor (nanosekunder).

    Tidsintegrerad bild av ett laserskott vid Omega Laser Facility för att studera fasövergången mellan vätska och is VII i rampkomprimerat vatten. Kredit:Eugene Kowaluk/LLE

    Precis som i tidigare LLNL-arbete med guld (Au) och platina (Pt), det svåraste är att komprimera vattnet tillräckligt försiktigt för att undvika att bilda en stötvåg som skulle förstöra experimentet (dvs. realisera en stötfri rampkompression). Eftersom vatten är mycket mer komprimerbart än metaller som Au och Pt, att skapa en rampkompressionsvåg i ett mikrometertunt vattenlager kräver att tryckbelastningen ökas i mycket långsammare takt.

    "Även om trycken vi uppnår verkar mycket blygsamma jämfört med andra laserdrivna ultrasnabba dynamiska kompressionsexperiment, dessa extremt svåra experiment är verkligen vid gränsen för vad vi kan göra med jättelasrar, och det var en spännande utmaning, " sa LLNL-forskaren och medförfattaren Marius Millot.

    De nya uppgifterna visar att vatten kan förbli flytande till minst 8-9 GPa (79, 000-89, 000 atmosfärer) innan den kristalliseras till is VII:frystrycket ökar med kompressionshastigheten.

    "Detta betyder att vatten kan förbli flytande till minst 3,5 gånger högre tryck än förväntat baserat på jämviktsfasdiagrammet, " sa Marshall. "Det är riktigt snyggt att tänka att vi komprimerar det så snabbt att vattnet inte hinner kristallisera, så det förblir flytande."

    "Vi är vid gränsen för experimentell ultrasnabb vetenskap, Marshall sa, "och det var fantastiskt att samarbeta med våra teori- och simuleringskollegor för att få en mer detaljerad bild av vad som hände. Det är anmärkningsvärt att de senaste teoretiska och numeriska framstegen nu ger en detaljerad förståelse av de observerade fenomenen. Detta kan få konsekvenser för vår allmänna förståelse av fastransformationer under extrema förhållanden."

    Detta arbete är en del av ett bredare försök att förstå fasövergångskinetik i dynamiskt komprimerade material. Vattnets allestädes närvarande natur och dess komplexa fasdiagram gör fasövergången mellan vätska och is-VII till en intressant testbädd för fasövergångskinetikmodellering. SAMSA, en LLNL-utvecklad kinetikmodell, ger en detaljerad förståelse av de experimentella resultaten samtidigt som man förlitar sig på den fundamentalt enkla bilden av homogen kärnbildning med hjälp av klassisk kärnbildningsteori.

    I stort sett, detta arbete hjälper till att förbättra materialmodeller och förståelse, vilket kan få intressanta konsekvenser för andra nyckelområden av forskning vid laboratoriet som avancerad tillverkning och 3D-utskrift. Metastabila tillstånd och komplex kristallisering av vatten är också nyckeln för atmosfärisk vetenskap och därför för klimatsäkerhet.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com