超イオン水

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静止している超イオン氷
電界が印加されていない場合、H +イオンはO2-格子内を拡散します。
電場で陽子を伝導する超イオン性氷
電界が印加されると、H +イオンはアノードに向かって移動します。
超イオン氷の顕著な特徴は、導体として機能する能力です。

超イオン水は、超イオン氷または氷XVIII [1]とも呼ばれ、非常に高い温度圧力で存在するです超イオン水では、水分子が分解し、酸素イオンが結晶化して等間隔の格子になり、水素イオンが酸素格子内を自由に浮遊します。[2]自由に移動する水素イオンは、超イオン水を一般的な金属とほぼ同じ導電性にし、超イオン伝導体にします。[1]それは19の既知の結晶の1つです氷の相超イオン水は、水素イオンと酸素イオンの無秩序なスープを特徴とする仮想の液体状態である イオン水とは異なります。

何十年にもわたって理論化されてきましたが、超イオン水に関する最初の実験的証拠が明らかになったのは1990年代になってからでした。最初の証拠は、ダイヤモンドアンビルセル内のレーザー加熱された水の光学的測定[3]と、非常に強力なレーザーによって衝撃を受けた水の光学的測定から得られました。[4]超イオン水中の酸素格子の結晶構造の最初の決定的な証拠は、2019年に報告されたレーザーショックを受けた水のX線測定から得られました。[1]

それが地球の表面に存在する場合、超イオン性の氷は急速に減圧します。2019年5月、ローレンスリバモア国立研究所(LLNL)の科学者は、超イオン氷を合成することができ、通常の氷のほぼ4倍の密度であることが確認されました。[5]超イオン水は、天王星や海王星などの木星型惑星のマントルに存在すると理論づけられています。[6] [7]

プロパティ

2013年現在、超イオン性氷は2つの結晶構造を持つことができると理論づけられています。50  GPa(7,300,000 psi)を超える圧力では、超イオン氷は体心立方構造をとると予測されています。ただし、100 GPa(15,000,000 psi)を超える圧力では、構造がより安定した面心立方格子にシフトすると予測されます。[8]

理論的および実験的証拠の歴史

Demontis etal。1988年に古典的な分子動力学シミュレーションを使用して超イオン水の最初の予測を行いました。[9] 1999年、Cavazzoni etal。天王星海王星に存在するような条件では、アンモニアにそのような状態が存在すると予測しました[10] 2005年、ローレンス・フリードはローレンス・リバモア国立研究所のチームを率いて、超イオン水の形成条件を再現しました。ダイヤモンド間の水分子を粉砕し、レーザーで過熱する技術を使用し相転移を示す周波数シフトを観察しました起こっていた。チームはまた、実際に超イオン水を作成したことを示すコンピューターモデルを作成しました。[7] 2013年、カリフォルニア大学のHugh F. Wilson、Michael L. Wong、およびBurkhard Militzerは、高圧で出現する面心立方格子構造を予測する論文を発表しました。[8]

追加の実験的証拠は、2018年にマリウス・ミローと同僚によって、ダイヤモンドの間の水に高圧を誘導し、レーザーパルスを使用して水に衝撃を与えることによって発見されました。[4] [11]

2018〜2019年の実験

2018年、LLNLの研究者は、2,500 MPa(360,000 psi)の圧力で2つのダイヤモンドの間に水を絞りました 。水は、通常の水より60%密度の高いタイプVIIの氷に絞り込まれました。[12]

次に、圧縮された氷はロチェスター大学に運ばれ、そこでレーザー光のパルスによって爆破されました。この反応は、天王星や海王星などの天王星型惑星の内部のような状態を作り出し、地球の大気の100万倍の圧力で氷を数千度加熱し、わずか100〜200億分の1秒でした実験は、導電性水中の電流が実際に電子ではなくイオンによって運ばれ、したがって水が超イオン性であることを示していると結論付けました。[12]同じローレンスリバモア国立研究所からのより最近の実験チームは、レーザーショックを受けた水滴のX線結晶構造解析を使用して、酸素イオンが面心立方相に入るのを確認しました。これは、氷XVIIIと呼ばれ、2019年5月にNature誌に報告されました。 [1]

天王星型惑星の存在

天王星型惑星の天王星海王星は、超イオン水の層を保持していると理論づけられています。[13]しかし、これらの惑星の内部に存在する他の元素、特に炭素が超イオン水の形成を妨げる可能性があることを示唆する研究もあります。[14] [15]

アプリケーション

水は、存在する他の物質と同じように、固体、液体、気体の3つの異なる相で存在することで広く知られています。王。et alは、水氷の高圧イオン相を発見しました。この氷は、高温と低温に応じて構造構成が変化することが知られています。産業活動は非常に高い圧力と低い圧力と温度で行われることが多く、水氷のこの物理的/構造的特性に関する知識は、材料とエネルギーの交換をより詳細かつ正確に理解するのに役立つ可能性があります。この現象を十分に理解することで、より効率的な方法でプロセス/操作を設計できる可能性があります。[15]

参考文献

  1. ^ a b c d Millot、Marius; コッパリ、フェデリカ; Rygg、J。Ryan; コレアバリオス、アントニオ; ハメル、セバスチャン; スウィフト、ダミアンC。; Eggert、Jon H.(2019年5月8日)。「衝撃圧縮された超イオン水氷のナノ秒X線回折」自然569(7755):251–255。土井10.1038 / s41586-019-1114-6OSTI1568026 _ PMID31068720 _
  2. ^ 巨大惑星の中に潜む奇妙な水、ニューサイエンティスト、2010年9月1日、雑誌第2776号。
  3. ^ ゴンチャロフ、アレクサンドルF。; etal。(2005)。「極端な条件下での水の動的イオン化」(PDF)物理学 レット牧師94(12):125508。doi 10.1103 /PhysRevLett.94.125508PMID15903935_  
  4. ^ a b Millot、Marius; etal。(2018年2月5日)。「衝撃圧縮を使用した超イオン水氷の実験的証拠」ネイチャーフィジクス14(3):297–302。Bibcode2018NatPh..14..297M土井10.1038 / s41567-017-0017-4OSTI1542614_ 
  5. ^ ヴァリッチ、リンジー。「」固体と液体の両方の「エキゾチック」な形の氷」。ロチェスター大学。
  6. ^ チャン、ケネス(2018年2月5日)。「新たに発見された水氷の形態は「本当に奇妙」である–天王星と海王星のマントルで発見されると長い間理論化されており、超イオン氷の存在の確認は新しい材料の開発につながる可能性があります。ニューヨークタイムズ2018年2月5日取得
  7. ^ a b マリス、エマ(2005年3月22日)。「巨大惑星は超イオン水をホストするかもしれません」。自然土井10.1038 / news050321-4
  8. ^ a b Phys.org、「水の新しい段階が天王星と海王星の内部を支配する可能性がある」、リサ・ザイガ、2013年4月25日
  9. ^ Demontis、P。; etal。(1988)。「氷の新しい高圧相」(PDF)物理学 レット牧師60(22):2284–2287。土井10.1103 /PhysRevLett.60.2284PMID10038311_  
  10. ^ Cavazzoni、C。; etal。(1999)。「巨大惑星条件での水とアンモニアの超イオン状態と金属状態」。科学283(5398):44–46。Bibcode1999Sci ... 283 ... 44C土井10.1126 /science.283.5398.44PMID9872734_ S2CID11938710_  
  11. ^ Sokol、Joshua(2019年5月12日)。「奇妙な形の水が宇宙全体に存在する可能性があります」有線ISSN1059-1028 _ 2019年5月13日取得 
  12. ^ a b Chang、Kenneth(2018年2月5日)。「液体と固体の両方の新しい形の水は、「本当に奇妙な」ものです"ニューヨークタイムズ。ISSN0362-4331 2018年213日取得
  13. ^ チャーリーオゾリン。「広報室:巨大惑星で見つかった奇妙な水の状態を再現する」Llnl.gov 2010年12月24日取得
  14. ^ チャウ、リッキー; ハメル、セバスチャン; ネリス、ウィリアムJ.(2011)。「天王星の奥深くでの化学プロセス」ナット コミュン。2記事番号:203。doi10.1038 / ncomms1198PMID21343921_  
  15. ^ a b Wang、Yanchao(2011年11月29日)。「水氷の高圧部分イオン相」ネイチャーコミュニケーションズ2土井10.1038 / ncomms15662021年12月4日取得