Beteende hos H- och He-atomer jämfört med O-atomer i Fd-3m He2H2O från AIMD-simuleringar vid 1, 600 K, 2, 000 K och 2, 300 K. (a–c) De genomsnittliga MSDs för H, Han och O-atomer från AIMD-simuleringar vid olika temperaturer. (d–i) Representation av atomära banor i en supercell från simuleringarna från de senaste 5 ps körningarna som representerar de tre distinkta faserna:den fasta fasen (1, 600 K), den superioniska He-fasen (2, 000 K), SI-I, och överjonisk He + H-fas (2, 300 K), SI-II. För att undvika överlappning, endast H och O visas i d–f, och endast Han och O visas i g–i. Kredit:Liu et al.
Helium och vatten är känt för att finnas rikligt i hela universum, särskilt på jätteplaneter som Uranus och Neptunus. Även om helium vanligtvis inte är reaktivt vid vanliga atmosfäriska förhållanden, Tidigare studier har funnit att det ibland kan reagera med andra grundämnen och föreningar under högt tryck.
Forskare vid Nanjing University och University of Cambridge har nyligen genomfört en studie som undersöker reaktionen mellan helium och vatten under högtrycksförhållanden som de på andra planeter. I deras studie, med i Naturfysik , de avslöjade två tidigare okända typer av superioniska tillstånd, som de refererar till som SI-I och SI-II. Superioniska tillstånd är i huvudsak faser av materia där en förening samtidigt kan uppvisa både vissa egenskaper hos en vätska och en fast substans.
"Helium är det mest inerta grundämnet i det periodiska systemet och anses allmänt vara oreaktivt under omgivande förhållanden, "Jian Sun, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Dock, Helium har visat sig reagera med vissa grundämnen och föreningar vid högt tryck. Vi ville förstå om helium och vatten kan reagera med varandra under högt tryck och vilken typ av tillstånd som kan uppstå under planetariska förhållanden."
Under de senaste åren har superioniska tillstånd har blivit ett ämne av intresse för många forskarlag världen över. Ett känt exempel på dessa tillstånd är superioniskt vatten (eller is), en vattenfas som uppstår vid mycket höga temperaturer och tryck vid vilka väteatomer kan röra sig fritt och syreatomer är fixerade i deras subgitter.
I deras studie, Sun och hans kollegor använde beräkningar för att visa att helium (He) och vatten (H 2 O) kan bilda flera stabila föreningar, som finns i ett brett spektrum av tryckförhållanden (från 2–92 GPa). Intressant, de fann att vid höga tryck och temperaturer, dessa föreningar kan bilda superjoniska tillstånd som aldrig har observerats tidigare.
Föreslagna fasdiagram över helium-vattensystemet vid höga tryck erhållet från forskarnas struktursökningar och AIMD-simuleringar. Symbolerna representerar fyra distinkta termodynamiska tillstånd samplade i deras simuleringar:cirkel, fast tillstånd; fyrkant, Det diffusiva tillståndet (SI-I); diamant, både He och H diffusivt tillstånd (SI-II); och triangel, flytande tillstånd. De svarta streckade linjerna monterades på fasgränserna. Den röda streckade linjen skiljer de två förutsagda solida faserna:I41md och Fd3m, samt två typer av H2O-undergitter (I41md och Fd3m) i SI-I-regionen. Kredit:Liu et al.
"Vi använde först kristallstruktursökningsmetoder baserade på kvantmekanik för att upptäcka de mest stabila helium-vattenföreningarna under högt tryck, "Chris Pickard, en annan forskare involverad i studien, berättade för Phys.org. "Vi utförde sedan omfattande ab initio simuleringar av molekylär dynamik vid högt tryck och temperatur för att utforska tillstånden för dessa föreningar vid planetariska förhållanden."
Som ett sista steg i sin studie, forskarna analyserade de superjoniska egenskaperna hos helium-vattenföreningar baserat på de simuleringar de utförde. Detta gjorde det slutligen möjligt för dem att producera ett tryck-temperatur-fasdiagram för var och en av dessa föreningar. Deras analyser av helium-vattenföreningar vid olika tryck- och temperaturförhållanden avslöjade de två tidigare okända typerna av superioniska tillstånd.
"I den första av dessa stater, heliumatomerna uppvisar vätskebeteende inom ett fast ramverk av isgitter, som vi kallade det SI-I, "Richard behöver, en annan forskare involverad i studien, berättade för Phys.org. "I den andra fasen, både helium- och väteatomer rör sig på ett vätskeliknande sätt inom ett fast syreundergitter, som vi döpte till SI-II. Vi fann att införandet av helium avsevärt minskar trycket i superioniska tillstånd jämfört med rent vatten."
Fynden som samlats in av Sun, Pickard, Behov och resten av deras team kan ha flera praktiska konsekvenser. Till exempel, de kan hjälpa till att förbättra vår nuvarande förståelse av heliumföreningar, materiens smältning och den inre strukturen hos jätteplaneter.
"Vi kommer nu att studera andra heliumföreningar, speciellt de som är direkt kopplade till planetvetenskap, såsom ammoniak eller metan, " sa Sun. "Vi letar efter oväntade resultat i universum, vilket ger enorma möjligheter."
© 2019 Science X Network
