L’eau présente des phénomènes étranges et instables lorsqu’elle est rapidement comprimée ou refroidie

Cibles de cellules d’eau pour les expériences sur les oméga. L’eau est injectée dans la cellule à l’aide de tubes de remplissage qui sont insérés en haut. Crédit : Carol Davis/LLNL

De nouvelles recherches impliquant des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) montrent que l’eau peut rester liquide dans un état stable lors de la transition d’un liquide à une forme dense de glace à des pressions plus élevées que celles mesurées précédemment.


L’eau dans des conditions extrêmes a récemment attiré l’attention en raison de son diagramme de phases complexe, y compris des phases de glace super-ioniques qui ont des propriétés particulières qui existent à des pressions et des densités élevées. À ce jour, 20 phases cristallines uniques de glace ont été trouvées naturellement sur Terre ou en laboratoire. L’eau présente également des phénomènes étranges et instables lorsqu’elle est comprimée ou refroidie très rapidement, ce qui suscite l’intérêt des physiciens du monde entier depuis de nombreuses années.

« Si le l’eau Ils sont comprimés très rapidement et resteront un liquide dans un état stable jusqu’à ce qu’ils finissent par cristalliser en glace VII à des pressions plus élevées que prévu », un ancien postdoctorant du LLNL et auteur principal de l’étude parue dans messages d’examen physique.

La septième glace est un polymorphe stable de l’eau à température ambiante et à des pressions dépassant 2 GPa (plus de 19 000 atmosphères). Récemment, la septième glace a été trouvée naturellement sur Terre pour la première fois sous forme d’inclusions dans des diamants provenant du manteau profond. trouvé dans les lunes Icy Jupiter et dans les mondes aquatiques en dehors de notre système solaire.

De nouvelles recherches montrent comment l’eau peut rester liquide dans Condition stable Lors de la transition du liquide à la glace VII à des pressions plus élevées que celles mesurées précédemment. Des travaux expérimentaux antérieurs à la Z Giant Pulsed Energy Facility ont montré que l’eau sous pression se transforme en glace 7 à 7 gigapascals (69 000 atmosphères) lorsque l’eau est comprimée le long d’une pente pendant des centaines de nanosecondes. Au lieu de cela, les nouvelles expériences se sont tournées vers l’utilisation de lasers de haute puissance à l’installation laser Omega pour comprimer l’eau sur des intervalles de temps plus courts (nanosecondes).

A l'extrême : briser le moule à glace

Image combinée dans le temps d’un tir laser à l’installation laser Omega pour étudier la transition de phase du liquide à la glace VII dans l’eau de pente sous pression. Crédit : Eugene Kowaluk/LLE

Tout comme dans les précédents travaux du LLNL sur l’or (Au) et le platine (Pt), le plus difficile était de presser l’eau assez doucement pour éviter de former une onde de choc qui ruinerait l’expérience (c’est-à-dire obtenir une pression de rampe sans choc). Étant donné que l’eau est plus compressible que les minéraux tels que l’Au et le Pt, la création d’une onde piézo dans une couche d’eau micrométrique nécessite d’augmenter la charge de pression à un rythme beaucoup plus lent.

« Bien que les pressions que nous atteignons semblent assez modestes par rapport aux expériences de compression dynamique ultrarapides pilotées par laser, ces expériences très difficiles sont vraiment à la pointe de ce que nous pouvons faire avec des lasers géants, et c’était un défi passionnant », le LLNL a dit le scientifique. Il a été co-écrit par Marius Melot.

Les nouvelles données révèlent que l’eau peut rester liquide jusqu’à au moins 8 à 9 gigapascals (79 000 à 89 000 atmosphères) avant de se cristalliser en glace. VII : La pression de congélation augmente avec le taux de compression.

« Cela signifie que l’eau peut rester liquide à des pressions au moins 3,5 fois plus élevées que prévu sur la base du diagramme de phase d’équilibre », a déclaré Marshall. « C’est vraiment cool de penser qu’on le comprime si vite que l’eau n’a pas le temps de cristalliser, donc elle reste liquide. »

Marshall a déclaré: « Nous sommes à la pointe de la science expérimentale ultrarapide, et il a été fascinant de collaborer avec notre théorie et nos collègues dans les simulations pour obtenir une image plus détaillée de ce qui se passait. Remarquablement, les dernières avancées théoriques et numériques fournissent maintenant une compréhension détaillée des phénomènes observés, et cela peut avoir des implications pour notre compréhension générale des transitions de phase dans des conditions difficiles. « 

Ce travail fait partie d’un effort plus large pour comprendre la cinétique de transition de phase dans les matériaux comprimés dynamiquement. La nature omniprésente de l’eau et son diagramme de phases complexe font de la transition de phase liquide à glace VII un banc d’essai intéressant pour la modélisation de la cinétique de transition de phase. SAMSA, un modèle cinétique développé au LLNL, fournit une compréhension détaillée des résultats expérimentaux tout en s’appuyant sur l’image simple de base de la nucléation homogène en utilisant la théorie de la nucléation classique.

Dans l’ensemble, ce travail permet d’améliorer la modélisation et la compréhension des matériaux, ce qui pourrait avoir des implications intéressantes pour d’autres domaines clés de la recherche in vitro tels que la fabrication avancée et l’impression 3D. Les états instables et la cristallisation complexe de l’eau sont également essentiels aux sciences de l’atmosphère et donc à la sécurité climatique.


Allez, de l’eau super ionique


Plus d’information:
MC Marshall et al., Stabilité de la congélation de l’eau liquide dans la glace VII sous pression dynamique, messages d’examen physique (2021). DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.135701

la citation: Eau qui présente des phénomènes étranges et instables lorsqu’elle est rapidement comprimée ou refroidie (2021, 30 septembre) Extrait le 1er octobre 2021 de https://phys.org/news/2021-09-bizarre-metastable-phenomena-compressed-cooled.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. Nonobstant toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans autorisation écrite. Le contenu est fourni à titre informatif seulement.

READ  Une `` étoile de Noël '' rare à apparaître le 21 décembre: voici ce que l'astronomie dit à propos de `` l'étoile de Bethléem '' biblique

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here