초이온수

Superionic water
Superionic ice at rest
적용된 전기장이 없을 경우, H+ 이온은2− O 격자 안에서 확산된다.
Superionic ice conducting protons in an electric field
전기장을 적용하면 H 이온은+ 양극 쪽으로 이동한다.
초이온 얼음의 주목할 만한 특징은 전도체 역할을 하는 능력이다.

초이온 얼음 또는 얼음 XIII라고도[1] 불리는 초이온 물은 극도로 높은 온도와 압력에서 존재하는 물의 국면이다. 초이온수에서는 수소 이온이 산소 격자 안에서 자유롭게 떠다니는 동안 물 분자가 분해되고 산소 이온이 균일한 간격으로 격자로 결정된다.[2] 자유자재로 움직이는 수소 이온은 일반 금속처럼 거의 전도성을 띠는 초이온수를 만들어 초이온 전도체가 된다.[1] 그것은 19개의 알려진 얼음 결정 단계 중 하나이다. 초이온수는 이온수와는 구별되는데, 이온수는 수소와 산소이온의 흐트러진 수프가 특징인 가상의 액체상태다.

수십 년 동안 이론을 세웠지만 1990년대에 이르러서야 초이온수에 대한 최초의 실험 증거가 나타났다. 초기 증거는 다이아몬드 앤빌 셀에서 레이저 가열수의 광학적 측정과 [3]매우 강력한 레이저에 의해 충격을 받은 물의 광학적 측정으로부터 나왔다.[4] 초이온수 내 산소 격자 결정구조에 대한 첫 번째 결정적인 증거는 2019년에 보고된 레이저 충격수에 대한 X선 측정에서 나왔다.[1]

만약 그것이 지구 표면에 존재한다면, 초이온적인 얼음은 빠르게 압축을 풀 것이다. 2019년 5월 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)의 과학자들이 슈퍼이온성 얼음을 합성할 수 있어 일반 얼음보다 4배 가까이 밀도가 높은 것으로 확인됐다.[5] 초이온수는 천왕성과 해왕성과 같은 거대한 행성의 맨틀에 존재한다는 이론이 있다.[6][7]

특성.

2013년 현재, 슈퍼이온 얼음은 두 개의 결정 구조를 가질 수 있다는 이론이 있다. 50 GPA(7300,000 psi)를 초과하는 압력에서는 초이온 얼음이 신체 중심의 입방 구조를 취할 것으로 예측된다. 그러나 100 GPA(1500,000,000 psi)를 초과하는 압력에서는 보다 안정적인 얼굴 중심의 입방 격자로 구조가 전환될 것으로 예측된다.[8]

이론 및 실험 증거의 역사

데몬티스 등은 1988년 고전적인 분자역학 시뮬레이션을 이용해 초이온수에 대한 최초의 예측을 했다.[9] 1999년 카바조니 등은 천왕성과 해왕성에 존재하는 것과 같은 조건에서 암모니아와 물의 경우 그러한 상태가 존재할 것이라고 예측했다.[10] 2005년에 로렌스 프리드는 로렌스 리버모어 국립 연구소에서 초이온수의 형성 조건을 재현하기 위해 팀을 이끌었다. 다이아몬드 사이에 물 분자를 박살내고 레이저로 가열하는 기술을 사용하여, 그들은 위상 전환이 일어났음을 나타내는 주파수 이동을 관찰했다. 그 팀은 또한 그들이 정말로 초이온수를 만들었음을 나타내는 컴퓨터 모델들을 만들었다.[7] 2013년 휴 F. 윌슨, 마이클 L. 웡과 버클리 캘리포니아 대학의 버크하드 머티셔는 더 높은 압력에서 나타날 얼굴 중심의 입방 격자 구조를 예측하는 논문을 발표했다.[8]

2018년 마리우스 밀롯과 동료들이 다이아몬드 사이 물에서 고압력을 유도한 뒤 레이저 펄스를 이용해 물을 충격시켜 추가 실험 증거를 발견했다.[4][11]

2018~2019년 실험

2018년 LLNL 연구진은 2500MPa(36만psi)의 압력으로 다이아몬드 두 조각 사이에 물을 짜냈다. 이 물은 일반 물보다 60% 더 밀도가 높은 VII형 얼음으로 압착되었다.[12]

그리고 나서 그 압축된 얼음은 로체스터 대학교로 옮겨졌고, 그곳에서 그것은 레이저 광선의 맥박에 의해 폭파되었다. 그 반응은 천왕성과 해왕성과 같은 얼음 거인들의 내부와 같은 조건들을 불과 100억에서 200억분의 1초 만에 지구 대기보다 100만 배나 더 큰 압력으로 수천 도나 되는 얼음들을 가열함으로써 천왕성과 해왕성과 같은 얼음 거인들의 내부와 같은 조건들을 만들었다. 그 실험은 전도성 물 속의 전류가 실제로 전자보다는 이온에 의해 운반된다는 결론을 내렸으며 따라서 물이 초이온성을 가리켰다.[12] 같은 로렌스 리버모어 국립연구소팀의 보다 최근 실험에서는 레이저 쇼크 물방울에 X선 결정학을 사용해 산소 이온이 얼굴 중심 쿠빅 단계로 들어가는 것을 확인했는데, 이를 얼음 XIII로 명명하고 2019년 5월 네이처지에 보고했다.[1]

얼음 거성에 존재

얼음 거대 행성 천왕성과 해왕성은 초이온성의 물층을 보유하고 있다는 이론이 있다.[13] 그러나 이들 행성의 내부 내부에 존재하는 다른 원소, 특히 탄소가 초이온수 형성을 방해할 수 있다는 연구도 있다.[14][15]

적용들

물은 다른 물질과 마찬가지로 고체, 액체, 기체 등 세 가지 상으로 그 존재로 널리 알려져 있다. Wang. 외 연구진은 물 얼음의 고압 이온상(high pressure Ionic phase of water ice. 이 얼음은 고온과 저온에 따라 구조 구성이 바뀌는 것으로 알려져 있다. 산업 운영은 종종 매우 높고 낮은 압력에서 수행되며, 이 물 얼음의 물리적/구조적 특성에 대한 지식은 우리가 물질과 에너지 교환을 보다 상세하고 정확한 방법으로 이해하는 데 도움이 될 수 있다. 이러한 현상에 대한 잘 발달된 이해는 프로세스/운영을 보다 효율적인 방법으로 설계하는 데 도움이 될 수 있다. [15]

참조

  1. ^ a b c d Millot, Marius; Coppari, Federica; Rygg, J. Ryan; Correa Barrios, Antonio; Hamel, Sebastien; Swift, Damian C.; Eggert, Jon H. (8 May 2019). "Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice". Nature. 569 (7755): 251–255. doi:10.1038/s41586-019-1114-6. OSTI 1568026. PMID 31068720.
  2. ^ 2010년 9월 1일자 매거진 2776호, 뉴 사이언티스트, 거대한 행성 안에 숨어있는 이상한 물.
  3. ^ Goncharov, Alexander F.; et al. (2005). "Dynamic Ionization of Water under Extreme Conditions" (PDF). Phys. Rev. Lett. 94 (12): 125508. doi:10.1103/PhysRevLett.94.125508. PMID 15903935.
  4. ^ a b Millot, Marius; et al. (5 February 2018). "Experimental evidence for superionic water ice using shock compression". Nature Physics. 14 (3): 297–302. Bibcode:2018NatPh..14..297M. doi:10.1038/s41567-017-0017-4. OSTI 1542614.
  5. ^ Valich, Lindsey. "'Exotic' form of ice both solid and liquid". University of Rochester.
  6. ^ Chang, Kenneth (5 February 2018). "Newly Discovered Form of Water Ice Is 'Really Strange' – Long theorized to be found in the mantles of Uranus and Neptune, the confirmation of the existence of superionic ice could lead to the development of new materials". The New York Times. Retrieved 5 February 2018.
  7. ^ a b Marris, Emma (22 March 2005). "Giant planets may host superionic water". Nature. doi:10.1038/news050321-4.
  8. ^ a b 아마존닷컴, 2013년 4월 25일 "새로운 물의 국면이 천왕성과 해왕성의 내부를 지배할 수 있다"
  9. ^ Demontis, P.; et al. (1988). "New high-pressure phases of ice" (PDF). Phys. Rev. Lett. 60 (22): 2284–2287. doi:10.1103/PhysRevLett.60.2284. PMID 10038311.
  10. ^ Cavazzoni, C.; et al. (1999). "Superionic and Metallic States of Water and Ammonia at Giant Planet Conditions". Science. 283 (5398): 44–46. Bibcode:1999Sci...283...44C. doi:10.1126/science.283.5398.44. PMID 9872734. S2CID 11938710.
  11. ^ Sokol, Joshua (12 May 2019). "A Bizarre Form of Water May Exist All Over the Universe". Wired. ISSN 1059-1028. Retrieved 13 May 2019.
  12. ^ a b Chang, Kenneth (5 February 2018). "New Form of Water, Both Liquid and Solid, Is 'Really Strange'". The New York Times. ISSN 0362-4331. Retrieved 13 February 2018.
  13. ^ Charlie Osolin. "Public Affairs Office: Recreating the Bizarre State of Water Found on Giant Planets". Llnl.gov. Retrieved 24 December 2010.
  14. ^ Chau, Ricky; Hamel, Sebastien; Nellis, William J. (2011). "Chemical processes in the deep interior of Uranus". Nat. Commun. 2. Article number: 203. doi:10.1038/ncomms1198. PMID 21343921.
  15. ^ a b Wang, Yanchao (29 November 2011). "High pressure partially ionic phase of water ice". Nature Communications. 2. doi:10.1038/ncomms1566. Retrieved 4 December 2021.