Superiyonik buz, Neptün ve Uranüs’teki manyetik anormalliklerin anlaşılmasına katkıda bulunur

Bir buzdolabı tarafından üretilen buz gibi sıradan günlük buz, bilim adamları tarafından altıgen buz (buz Ih) olarak bilinir ve suyun tek kristal fazı değildir. 20’den fazla farklı aşama mümkündür. Bunlardan “süperiyonik buz” veya “buz XVIII” olarak adlandırılan biri, diğer nedenlerin yanı sıra özellikle ilgi çekicidir, çünkü sıklıkla “buz devleri” olarak adlandırılan gezegenler olan Neptün ve Uranüs’ün büyük bir bölümünü oluşturduğu düşünülmektedir.

Süperiyonik kristal fazda, su moleküler kimliğini kaybeder (H₂O): negatif oksijen iyonları (O^2-) geniş bir kafes halinde kristalleşir ve pozitif hidrojen iyonları ( H⁺) oksijen kafesi içinde serbestçe yüzen bir sıvı oluşturur.

Maurice de Koning, “Durum, bakır gibi bir metal iletkenle karşılaştırılabilir, ancak büyük farkla, pozitif iyonlar metaldeki kristal kafesi oluşturur ve negatif yük taşıyan elektronlar kafes etrafında serbestçe dolaşırlar” dedi. Brezilya’nın São Paulo eyaletindeki Campinas Eyalet Üniversitesi Gleb Wataghin Fizik Enstitüsü’nde (IFGW-UNICAMP) profesör.

De Koning, yayınlanan bir makaleyle sonuçlanan çalışmayı yönetti. Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı (PNAS) ve 8 Kasım 2022 tarihli sayısının kapağında yer aldı.

Süperiyonik buz, 5.000 Kelvin (4.700 °C) aralığında aşırı yüksek sıcaklıklarda ve yaklaşık 340 gigapaskal basınçta veya Dünya’nın standart atmosferik basıncının 3,3 milyon katından fazla oluştuğunu açıkladı. Bu nedenle, gezegenimizde kararlı süperiyonik buzun var olması imkansızdır.

Bununla birlikte, Neptün ve Uranüs’te var olabilir. Aslında, bilim adamları, sismografik okumalarla doğrulandığı gibi, bu devlerin devasa yerçekimi alanlarından kaynaklanan basınç sayesinde, büyük miktarlarda buz XVIII’in mantolarının derinliklerinde gizlendiğinden eminler.

De Koning, “Protonlar tarafından oksijen kafesiyle iletilen elektrik, bu gezegenlerde manyetik alan ekseninin neden dönme ekseniyle çakışmadığı sorusuyla yakından ilgilidir. Aslında, önemli ölçüde yanlış hizalanmışlar,” dedi.

Güneş Sistemi’nin kenarına ve ötesine yaptığı yolculukta bu uzak gezegenlerin yanından geçen uzay sondası Voyager 2’nin yaptığı ölçümler, Neptün’ün ve Uranüs’ün manyetik alanlarının eksenlerinin sırasıyla 47 derece ve 59 derecelik açılar oluşturduğunu gösteriyor. eksenler.

Deneyler ve simülasyonlar

Yeryüzünde, bir deney bildirildi Doğa 2019’da 1 nanosaniye (saniyenin milyarda biri) için çok az miktarda buz XVIII üretmeyi başardı, ardından malzeme parçalandı. Araştırmacılar, sıvı suyu sıkıştırmak ve ısıtmak için lazerle çalışan şok dalgaları kullandılar.

içindeki gazeteye göre Doğa, altı yüksek güçlü lazer ışını, iki elmas yüzeyi arasında kapsüllenmiş ince bir su tabakasını sıkıştırmak için geçici olarak uyarlanmış bir sırayla ateşlendi. Şok dalgaları, son derece kısa bir süre için süper iyonik kristal faz ile sonuçlanan su tabakasının homojen bir şekilde sıkıştırılmasını sağlamak için iki sert elmas arasında yankılandı.

De Koning, “Bu son çalışmada, gerçek bir fiziksel deney yapmadık, ancak XVIII buzunun mekanik özelliklerini araştırmak ve deformasyonlarının Neptün ve Uranüs’te meydana geldiği görülen olayları nasıl etkilediğini öğrenmek için bilgisayar simülasyonları kullandık” dedi.

Çalışmanın önemli bir yönü, kuantum mekaniğinden türetilen ve katı hal fiziğinde karmaşık kristal yapıları çözmek için kullanılan bir yöntem olan yoğunluk fonksiyonel teorisinin (DFT) konuşlandırılmasıydı. “Öncelikle, gerçek dünyada var olmayan kusursuz bir fazın mekanik davranışını inceledik. Ardından, ne tür makroskobik deformasyonların ortaya çıktığını görmek için kusurları ekledik.”

Kristal kusurları tipik olarak iyon boşlukları veya diğer malzemelerden kristal kafes içine iyonların girmesi ile karakterize edilen nokta kusurlarıdır. Bu durumda öyle değil. De Koning, “dislokasyonlar” olarak bilinen ve bitişik katmanlar arasındaki açısal farklılıklardan kaynaklanan ve buruşuk bir kilim gibi bir şekilde buruşmaya neden olan doğrusal kusurlara atıfta bulunuyordu.

De Koning, “Kristal fiziğinde dislokasyon 1934’te öne sürüldü, ancak deneysel olarak ilk kez 1956’da gözlemlendi. Bu, pek çok fenomeni açıklayan bir kusur türüdür. DNA’nın genetik için neyse metalurji için dislokasyonun da o olduğunu söylüyoruz.”

Süper iyonik buz söz konusu olduğunda, dislokasyonların toplamı, mineraloglar, metalürjistler ve mühendislerin aşina olduğu makroskopik bir deformasyon olan kayma üretir. De Konig, “Çalışmamızda, diğer şeylerin yanı sıra, kristali kesme nedeniyle kırılmaya zorlamak için ne kadar gerekli olduğunu hesapladık.” Dedi.

Bu amaçla, araştırmacılar, yaklaşık 80.000 molekül içeren nispeten büyük bir malzeme hücresini düşünmek zorunda kaldılar. Hesaplamalar, sinir ağları, makine öğrenimi ve DFT’ye dayalı çeşitli konfigürasyonların bileşimi dahil olmak üzere son derece ağır ve karmaşık hesaplama teknikleri gerektiriyordu.

“Bu, metalurji, gezegen bilimi, kuantum mekaniği ve yüksek performanslı bilgi işlem alanındaki bilgileri entegre eden çalışmanın en ilginç yönüydü” dedi.