I hverdagen støder vi typisk på vand i en af tre velkendte tilstande – opløs, flydende eller gas. Men der er faktisk mange flere faser, hvoraf nogle – forudsagt at eksistere ved høj temperatur og tryk – er så underlige, at de omtales som eksotiske.
Avancerede neutronspektrometre og prøvemiljøinfrastrukturer ved Institut Laue-Langevin (ILL) har muliggjort den første eksperimentelle observation af en af disse eksotiske faser-plastisk ICE VII. Arbejdet er blevet offentliggjort i Natur.
Plastis VII blev oprindeligt forudsagt for mere end 15 år siden af Molecular Dynamics (MD) -simuleringer som en fase af vand, der kunne eksistere under høj temperatur og tryk.
“Plastfaser er hybridtilstande, der blander egenskaber ved både faste stoffer og væsker,” forklarer Livia Eleonora Bove, forskningsdirektør ved det franske nationale center for videnskabelig forskning CNRS, lektor ved La Sapienza University i Rom (Italien) og tilknyttet videnskabsmand ved EPFL, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Schweiz).
“I plastisis danner vandmolekylerne et stift kubisk gitter, som i is VII, men udviser picosekund rotationsbevægelse, der minder om flydende vand.”
Til undersøgelse af disse hurtige molekylære bevægelser er kvasi-elastisk neutronspredning (QENS) et kraftfuldt værktøj.
“Qenss evne til at undersøge både den translationelle og rotationsdynamik er en unik fordel for udforskningen af sådanne eksotiske faseovergange sammenlignet med andre spektroskopiske teknikker,” forklarer Maria Rescigno, Ph.D. studerende ved Sapienza University og første forfatter af den offentliggjorte undersøgelse.
Qens aktiverede identifikationen af tre forskellige faser, da temperatur og tryk var varieret: flydende vand, hvor både translationelle og rotationskomponenter er til stede; Fast is, hvor både translationel og rotationsdynamik er frosset; og den mellemliggende plastisfase, hvor molekylerne, der er arrangeret i en ordnet krystallinsk struktur, har mistet evnen til at oversætte frit, men har bevaret kapaciteten til at rotere.
Eksperimenterne, der afslørede plastis VII VII, blev udført under anvendelse af tidsspektrometre i 5 og in6-skarp ved ILL. Temperaturer så højt som 450-600 K og tryk fra 0,1 til 6 GPa (op til ca. 60 tusind gange det normale atmosfæriske tryk) blev påkrævet for at producere denne eksotiske vandtilstand.
Implementeringen af sådanne krævende termodynamiske forhold i neutronspektroskopi blev muliggjort af de nylige teknologiske fremskridt opnået i samarbejde mellem Bove, CNRS-forskningsdirektør Stefan Klotz og syg videnskabsmand Michael Marek Koza som en del af et langvarigt projekt på ILL.
“Succesen med denne undersøgelse er afhængig af den omfattende ekspertise og unikke infrastruktur, der er bygget gennem årene på ILL, især med hensyn til komplekse prøvemiljøer og høje pres,” understreger Koza.
“Derudover har den kontinuerlige forbedring af ILLs spektrometre-såsom dem, der er foretaget inden for udholdenhedsopgraderingsprogrammet-lettet stadig mere sofistikerede eksperimenter udført af avancerede instrumenter.”
En omfattende analyse af de neutronspredningsdata afslørede også, at den molekylære dynamik af plastis VII kunne være mere kompliceret, end MD -simulering oprindeligt havde forudsagt.
“Qens -målingerne antydede en anden molekylær rotationsmekanisme for plastis VII end den frie rotoradfærd, der oprindeligt forventede,” forklarer Rescigno.
Yderligere MD -simuleringer sammen med Markov -kædeanalyse gav et mere detaljeret billede af vandmolekylets dynamik. En fire gange rotationsmodel, som typisk observeret i jump-rotor plastkrystaller, blev identificeret som den mest sandsynlige mekanisme.
Yderligere undersøgelser-der involverer henholdsvis neutron- og røntgenstrålediffraktionsmålinger på D20-diffraktometeret ved ILL og på Institut for Mineralogi, fysik af materialer og kosmokemi (IMPMC)-blev udført for at undersøge arten af faseovergangen fra is VII til plastis VII.
“Denne overgang forventes at være enten første orden eller kontinuerlig, afhængigt af den anvendte simuleringsmetode,” forklarer Bove.
“Det kontinuerlige overgangsscenarie er meget spændende, da det antyder, at plastfasen kan være forløberen for den undvigende superioniske fase – en anden hybrid eksotisk fase af vand, der er forudsagt ved endnu højere temperaturer og tryk, hvor brint kan diffundere frit gennem den iltkrystallinske struktur. “
Både plastiske og superioniske faser er af stor interesse for planetarisk videnskab med potentielle implikationer i vores forståelse af den interne struktur og gletstrøm af iskolde måner som Ganimede og Callisto og iskolde planeter som Uranus og Neptune, hvor de muligvis dominerer.
Neutronspredning har traditionelt ikke været en go-to-teknik inden for planetarisk videnskab. Ikke desto mindre har dens unikke evne til nøjagtigt at måle placeringen og dynamikken i brint i et materiale kombineret med den nylige mulighed for at udføre eksperimenter ved planetarisk relevant tryk gjort det muligt for neutronspredning at have en betydelig indflydelse på dette domæne. Og der kan være flere eksotiske faser, der endnu ikke er afsløret.