Buz simülasyonundan görüntü XVIII. Oksijen iyonları (kırmızı) düzenli bir kristal kafesi işgal ederken, protonlar (beyaz) bir sıvı gibi dağılır. Kredi: Maurice de Koning ve Filipe Matusalém
Çalışmanın önemli bir yönü, kuantum mekaniğinden türetilen ve katı hal fiziğinde kullanılan bir yöntem olan yoğunluk fonksiyonel teorisinin (DFT) konuşlandırılmasıydı. karmaşık kristal yapıları çözmek için.
Araştırmacılar, buz devleri Neptün ve Neptün’ün büyük bir bölümünü oluşturduğuna inanılan suyun kristalin bir fazı olan süper iyonik buzun veya buz XVIII’in mekanik özelliklerini incelemek için yoğunluk fonksiyonel teorisini kullandılar. Uranüs. Bu aşamada, negatif oksijen iyonları bir kafes oluştururken, pozitif hidrojen iyonları içinde metal bir iletkene benzer bir sıvı oluşturur. Süper iyonik buz yalnızca aşırı sıcaklık ve basınç altında bulunur ve Neptün ile Uranüs’ün manyetik alanlarının yanlış hizalanmasına katkıda bulunduğuna inanılır. Ekip, buz XVIII’deki deformasyonların bu gezegenlerde gözlemlenen olguları nasıl etkilediğini anlamak için sinir ağları ve makine öğrenimi gibi hesaplama tekniklerini kullandı.
Bir buzdolabının ürettiği buz gibi günlük buz, bilim adamları tarafından altıgen buz olarak bilinir. (buz Ih) 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 bunun, sıklıkla “buz devleri” olarak adlandırılan gezegenler olan Neptün ve Uranüs’ün büyük bir bölümünü oluşturduğu düşünülmektedir.{ 4}
Üst iyonik kristal fazda, su moleküler kimliğini (H2O) kaybeder: negatif oksijen iyonları (O2-) geniş bir kafes halinde kristalleşir ve pozitif hidrojen iyonları (H+) formundaki protonlar yüzen bir sıvı oluşturur. oksijen kafesi içinde serbestçe dolaşır.
“Durum, bakır gibi bir metal iletkenle karşılaştırılabilir, aradaki büyük fark, pozitif iyonların metaldeki kristal kafesi oluşturması ve negatif yük taşıyan elektronların serbest olmasıdır. Brezilya’nın São Paulo eyaletindeki Campinas Eyalet Üniversitesi’nin Gleb Wataghin Fizik Enstitüsü’nde (IFGW-UNICAMP) profesör olan Maurice de Koning, “kafesin etrafında dolaşmak” dedi.
Sonuçla sonuçlanan çalışmayı De Koning yönetti. Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Bilimler Akademisi’nde (PNAS) yayınlanan ve 8 Kasım 2022 tarihli sayısının kapağında yer alan bir makale.
Süperiyonik buz, aşırı yüksek sıcaklıklarda oluşur. 5.000 kelvin (4.700 °C) ve yaklaşık 340 gigapaskal basınç veya Dünya’nın standart atmosferik basıncının 3,3 milyon katından fazla, diye açıkladı. Bu nedenle, gezegenimizde kararlı süperiyonik buzun var olması imkansızdır.
Ancak, Neptün ve Uranüs’te 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.
“Protonların oksijen kafesiyle ilettiği elektrik, bu gezegenlerde neden manyetik alan ekseninin dönme ekseniyle çakışmadığı sorusuyla yakından ilgilidir. Aslında önemli ölçüde yanlış hizalanmışlar,” dedi De Koning.
Güneş Sistemi’nin kenarına ve ötesine yolculuğunda bu uzak gezegenlerin yanından geçen Voyager 2 uzay sondası tarafından yapılan ölçümler şunu gösteriyor: Neptün’ün ve Uranüs’ün manyetik alanlarının eksenleri, ilgili dönüş eksenleriyle 47 derece ve 59 derecelik açılar oluşturur.
Deneyler ve simülasyonlar
Dünya üzerinde, bir deney bildirilmiştir 2019’da doğa, 1 nanosaniye (saniyenin milyarda biri) için çok az miktarda buz XVIII üretmeyi başardı ve ardından malzeme parçalandı. Araştırmacılar, sıvı suyu sıkıştırmak ve ısıtmak için lazerle yönlendirilen şok dalgaları kullandılar.
Nature’daki makaleye göre, ikisi arasında kapsüllenmiş ince bir su katmanını sıkıştırmak için altı yüksek güçlü lazer ışını geçici olarak uyarlanmış bir sırayla ateşlendi. elmas yüzeyler. Şok dalgaları, son derece kısa bir süre için süperiyonik kristal fazla sonuçlanan su tabakasında homojen bir sıkıştırma elde etmek için iki sert elmas arasında yankılandı.
“Bu son çalışmada, gerçek bir fiziksel test yapmadık. De Koning, “Buz XVIII’in mekanik özelliklerini araştırmak ve deformasyonlarının Neptün ve Uranüs’te meydana geldiği görülen olayları nasıl etkilediğini öğrenmek için bilgisayar simülasyonları kullandı,” dedi.
Çalışmanın önemli bir yönü, konuşlandırmaydı. yoğunluk fonksiyonel teorisinin (DFT), kuantum mekaniğinden türetilen ve katı hal fiziğinde karmaşık kristal yapıları çözmek için kullanılan bir yöntem. “Öncelikle, gerçek dünyada olmayan kusursuz bir fazın mekanik davranışını inceledik. Daha sonra, ne tür makroskopik deformasyonların ortaya çıktığını görmek için kusurlar ekledik,” diye açıkladı.
Kristal kusurları, tipik olarak, iyon boşlukları veya diğer malzemelerden kristal kafese iyonların girmesiyle karakterize edilen noktasal kusurlardır. Bu durumda öyle değil. De Koning, “dislokasyonlar” olarak bilinen ve bitişik katmanlar arasındaki açısal farklardan kaynaklanan ve buruşuk bir halı gibi bir şekilde buruşmaya neden olan doğrusal kusurlardan bahsediyordu.
“Kristal fiziğinde, dislokasyon 1934’te öne sürüldü, ancak ilk olarak gözlemlendi 1956’da deneysel olarak. Pek çok fenomeni açıklayan bir kusur türüdür. Genetik için DNA neyse metalurji için de dislokasyon odur diyoruz.” De Konig, “Çalışmamızda, diğer şeylerin yanı sıra, kristali kesme nedeniyle parçalanması için ne kadar zorlamamız gerektiğini hesapladık,” dedi.
Bu amaçla, araştırmacıların bir yaklaşık 80.000 molekül ile malzemenin nispeten büyük hücresi. Hesaplamalar, nöral ağlar, makine öğrenimi ve DFT’ye dayalı çeşitli yapılandırmaların bileşimi dahil olmak üzere son derece ağır ve karmaşık hesaplama teknikleri gerektiriyordu.
“Metalurji, gezegenbilim alanındaki bilgileri entegre eden bu, çalışmanın en ilginç yönüydü. , kuantum mekaniği ve yüksek performanslı bilgi işlem,” dedi.
Referans: “Süperiyonik su buzlarının plastik deformasyonu” yazan Filipe Matusalem, Jéssica Santos Rego ve Maurice de Koning, 2 Kasım 2022, Proceedings of the National Akademi. nezaret; UNICAMP’ta bir araştırmacı olan Alex Antonelli tarafından yönetilen bir Tematik Proje; ve FAPESP Araştırma, Yenilik ve Yayma Merkezleri Programı (RIDC’ler) himayesi altında finanse edilen Mühendislik ve Bilimlerde Bilgi İşlem Merkezi (CCES).