Forskare uppskattar att jordens mantel rymmer lika mycket vatten som alla hav på planeten, men att förstå hur detta vatten beter sig är svårt. Vatten i manteln existerar under högt tryck och vid förhöjda temperaturer, extrema förhållanden som är utmanande att återskapa i laboratoriet.

Det betyder att många av dess fysikaliska och kemiska egenskaper – som är relevanta för att förstå magmaproduktion och jordens kolcykel – inte är helt förstått. Om forskare bättre kunde förstå dessa förhållanden, det skulle hjälpa dem att bättre förstå kolkretsens konsekvenser för klimatförändringen.

Ett team som leds av prof. Giulia Galli och prof. Juan de Pablo från Pritzker School of Molecular Engineering (PME) vid University of Chicago och prof. Francois Gygi från University of California, Davis har skapat komplexa datorsimuleringar för att bättre förstå egenskaperna hos salt i vatten under mantelförhållanden.

Genom att koppla simuleringstekniker utvecklade av de tre forskargrupperna och använda sofistikerade koder, teamet har skapat en modell av saltvatten baserad på kvantmekaniska beräkningar. Med hjälp av modellen, forskarna upptäckte viktiga molekylära förändringar i förhållande till omgivningsförhållanden som kan ha konsekvenser för att förstå den intressanta kemin som ligger djupt under jordens yta.

"Våra simuleringar representerar den första studien av fri energi för salter i vatten under tryck, "Sade Galli." Det lägger grunden för att förstå saltets påverkan i vatten vid högt tryck och temperatur, såsom förhållandena för jordens mantel." Resultaten publicerades den 16 juni i tidskriften Naturkommunikation .

Viktigt i vätske-berg-interaktioner

Att förstå vattnets beteende i manteln är utmanande - inte bara för att det är svårt att mäta dess egenskaper experimentellt, men eftersom kemin för vatten och saltvatten skiljer sig vid sådana extrema temperaturer och tryck (som inkluderar temperaturer på upp till 1000K och tryck på upp till 11 GPa, 100, 000 gånger större än på jordens yta.)

Medan Galli tidigare publicerat forskning om vattnets beteende under sådana förhållanden, hon och hennes medarbetare vid Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM) har nu utökat sina simuleringar till salt i vatten, lyckas förutsäga mycket mer komplexa egenskaper än tidigare studerat.

Simuleringarna, utförs på UChicagos Research Computing Center med hjälp av optimerade koder som stöds av MICCoM, visade viktiga förändringar av jon-vatten- och jon-jon-interaktioner under extrema förhållanden. Dessa joninteraktioner påverkar den fria energiytan hos salt i vatten.

Specifikt, forskare fann att dissociation av vatten som sker på grund av högt tryck och temperatur påverkar hur saltet interagerar med vatten och i sin tur hur det förväntas interagera med ytor av stenar på jordens yta.

"Detta är grundläggande för att förstå kemiska reaktioner vid förhållandena för jordens mantel, sa de Pablo.

"Närnäst hoppas vi kunna använda samma simuleringstekniker för en mängd olika lösningar, betingelser, och andra salter, " sa Gygi.