Comportamento degli atomi di H ed He rispetto agli atomi di O in Fd-3m He2H2O dalle simulazioni AIMD a 1, 600K, 2, 000 K e 2, 300 K. (a–c) Gli MSD medi per H, Atomi di He e O da simulazioni AIMD a diverse temperature. (d–i) Rappresentazione delle traiettorie atomiche in una supercella dalle simulazioni degli ultimi 5 ps run che rappresentano le tre fasi distinte:la fase solida (1, 600K), la fase superionica He (2, 000 mila), SI-I, e fase superionica He + H (2, 300K), SI-II. Per evitare sovrapposizioni, solo H e O sono mostrati in d–f, e solo He e O sono mostrati in g–i. Credito:Liu et al.
L'elio e l'acqua sono noti per essere abbondanti in tutto l'universo, in particolare nei pianeti giganti come Urano e Nettuno. Sebbene l'elio sia tipicamente non reattivo alle condizioni atmosferiche comuni, studi precedenti hanno scoperto che a volte può reagire con altri elementi e composti ad alta pressione.
I ricercatori della Nanjing University e dell'Università di Cambridge hanno recentemente condotto uno studio sulla reazione tra elio e acqua in condizioni di alta pressione come quelle su altri pianeti. Nel loro studio, in primo piano Fisica della natura , hanno svelato due tipi precedentemente sconosciuti di stati superionici, a cui si riferiscono come SI-I e SI-II. Gli stati superionici sono essenzialmente fasi della materia in cui un composto può esibire contemporaneamente sia alcune proprietà di un liquido che di un solido.
"L'elio è l'elemento più inerte della tavola periodica e generalmente considerato non reattivo in condizioni ambientali, "Jian Sole, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Però, è stato trovato che l'elio reagisce con alcuni elementi e composti ad alta pressione. Volevamo capire se l'elio e l'acqua possono reagire tra loro ad alta pressione e la natura degli stati che possono emergere in condizioni planetarie".
Negli ultimi anni, gli stati superionici sono diventati un argomento di interesse per molti gruppi di ricerca in tutto il mondo. Un esempio noto di questi stati è l'acqua superionica (o ghiaccio), una fase dell'acqua che si verifica a temperature e pressioni molto elevate in cui gli atomi di idrogeno possono muoversi liberamente e gli atomi di ossigeno sono fissati nel loro sottoreticolo.
Nel loro studio, Sun e i suoi colleghi hanno usato calcoli per mostrare che l'elio (He) e l'acqua (H 2 O) può formare diversi composti stabili, che esistono in un'ampia gamma di condizioni di pressione (da 2-92 GPa). interessante, hanno scoperto che ad alte pressioni e temperature, questi composti possono formare stati superionici mai osservati prima.
Diagramma di fase proposto del sistema elio-acqua ad alta pressione ottenuto dalle ricerche strutturali dei ricercatori e dalle simulazioni AIMD. I simboli rappresentano quattro distinti stati termodinamici campionati nelle loro simulazioni:cerchio, stato solido; quadrato, Stato diffusivo (SI-I); diamante, stato diffusivo sia di He che di H (SI-II); e triangolo, stato fluido. Le linee tratteggiate nere sono state adattate ai confini di fase. La linea tratteggiata rossa distingue le due fasi solide previste:I41md e Fd3m, così come due tipi di sottoreticolo H2O (I41md e Fd3m) nella regione SI-I. Credito:Liu et al.
"Per prima cosa abbiamo utilizzato metodi di ricerca della struttura cristallina basati sulla meccanica quantistica per scoprire i composti elio-acqua più stabili ad alta pressione, "Chris Pickard, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Abbiamo quindi eseguito ampie simulazioni di dinamica molecolare ab initio ad alta pressione e temperatura per esplorare gli stati di questi composti in condizioni planetarie".
Come passo finale nel loro studio, i ricercatori hanno analizzato le proprietà superioniche dei composti elio-acqua sulla base delle simulazioni eseguite. Ciò alla fine ha permesso loro di produrre un diagramma di fase pressione-temperatura per ciascuno di questi composti. Le loro analisi dei composti elio-acqua a diverse condizioni di pressione e temperatura hanno svelato i due tipi di stati superionici precedentemente sconosciuti.
"Nel primo di questi stati, gli atomi di elio mostrano un comportamento liquido all'interno di una struttura fissa di ghiaccio-reticolo, che abbiamo chiamato SI-I, "Riccardo ha bisogno, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Nella seconda fase, entrambi gli atomi di elio e idrogeno si muovono in modo liquido all'interno di un sottoreticolo fisso di ossigeno, che abbiamo chiamato SI-II. Abbiamo scoperto che l'inserimento di elio riduce sostanzialmente la pressione degli stati superionici rispetto all'acqua pura".
I risultati raccolti da Sun, Pickard, Le esigenze e il resto della loro squadra potrebbero avere diverse implicazioni pratiche. Ad esempio, potrebbero aiutare a migliorare la nostra attuale comprensione dei composti dell'elio, il processo di fusione della materia e la struttura interna dei pianeti giganti.
"Ora studieremo altri composti di elio, specialmente quelli che si collegano direttamente con la scienza planetaria, come ammoniaca o metano, " disse Sun. "Stiamo cercando risultati inaspettati nell'universo, che offre enormi possibilità."
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