Le onde d'urto guidate dal laser che raggiungono diversi milioni di atmosfere rompono il triplo legame estremamente forte delle molecole di azoto e liberano una frazione degli elettroni del guscio a L degli atomi dissociati. Credito:Liam Krauss/LLNL
Gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno recentemente ottenuto dati termodinamici ad alta precisione sull'azoto denso caldo in condizioni estreme che potrebbero portare a una migliore comprensione degli interni di oggetti celesti come nane bianche ed esopianeti.
Il team, che comprende ricercatori dell'Università della California, Berkeley e dell'Università di Rochester, ha utilizzato una tecnica avanzata che combina la precompressione in una cellula di incudine di diamante e la compressione d'urto guidata dal laser presso l'Omega Laser Facility dell'Università di Rochester .
Molecole di azoto (N2 ) costituiscono il 78% dell'aria che respiriamo. Sono unici perché i due atomi di azoto in N2 sono legati con un triplo legame covalente, che è la più forte di tutte le molecole biatomiche semplici. L'azoto è anche un costituente importante dei corpi celesti nel sistema solare esterno e oltre. Ad esempio, l'ammoniaca (NH3 ) si ritiene che esistano tempeste in pianeti giganti come Giove, mentre il pianeta nano Plutone, la luna ghiacciata di Saturno Titano e la luna ghiacciata di Nettuno Tritone hanno N2 - atmosfere ricche.
Precedenti studi con questa potente tecnica hanno rivelato prove sperimentali per il ghiaccio d'acqua superionico e la pioggia di elio nei pianeti giganti gassosi. Nella nuova ricerca, il team ha condotto esperimenti d'urto su fluido di azoto molecolare precompresso fino a 800 GPa (~8 milioni di atmosfere) di pressione.
Hanno osservato chiare firme per il completamento della dissociazione molecolare vicino a 70–100 GPa e 5–10 kK (migliaia di kelvin) e l'inizio della ionizzazione per gli elettroni più esterni al di sopra di 400 GPa e 50 kK.
"È molto eccitante poter usare le onde d'urto per rompere queste molecole e capire come la pressione e la densità inducano cambiamenti nel legame chimico", ha affermato il fisico LLNL Yong-Jae Kim, autore principale di un articolo apparso in Physical Review Letters . "Studiare come rompere le molecole di azoto e come liberare gli elettroni è un ottimo test per le simulazioni al computer più avanzate e la modellazione teorica."
Il team ha anche teorizzato che lo studio dell'azoto potrebbe aiutare a svelare alcuni dei misteri riguardanti il comportamento delle molecole di idrogeno nella fase iniziale delle implosioni di fusione a confinamento inerziale presso la National Ignition Facility.
"Sebbene l'azoto e l'idrogeno siano entrambe molecole biatomiche leggere, gli atomi di idrogeno sono così piccoli che riprodurre il loro comportamento a pressioni e temperature estreme con simulazioni al computer è molto complesso", ha affermato Kim.
Il team ha esaminato più da vicino il confronto tra i dati sperimentali della nuova ricerca e le corrispondenti curve di pressione-densità simulate a partire da diverse densità iniziali. Il confronto ha fornito ulteriore fiducia nella capacità delle simulazioni al computer utilizzando la tecnica della dinamica molecolare della teoria del funzionale della densità (DFT) per catturare accuratamente i sottili cambiamenti della fisica quantistica nelle proprietà dei materiali in queste condizioni precedentemente non documentate. In particolare, i nuovi dati hanno risolto una sconcertante discrepanza tra i precedenti esperimenti sull'azoto denso caldo e le previsioni basate sui risultati delle simulazioni DFT.
"Abbiamo dimostrato che la teoria del funzionale della densità funziona davvero bene per descrivere i nostri esperimenti. Questo è un test molto rigoroso e utile", ha affermato Kim.
La ricerca fa parte di un progetto Laboratory Directed Research and Development (LDRD) per lo sviluppo di nuove tecniche sperimentali di compressione dinamica guidate da laser con target DAC (Diamond Anvil Cell). Queste tecniche potrebbero svelare nuovi fenomeni fisici e chimici in miscele a basso numero atomico, come quelle ricche di acqua, in un'ampia gamma di condizioni di pressione-temperatura-densità senza precedenti. The research has implications for planet formation and evolution and provide insights into the properties of matter under extreme conditions.
In particular, Kim is now leading experiments to develop the use of DAC targets at the National Ignition Facility. This could help further study nitrogen and unravel new exotic phenomena at much lower temperatures, linked to the 1980s observation of shock-induced cooling and the 2010s prediction of a first-order transition between molecular and polymeric nitrogen fluids below 2,000 K.
"There are a lot more things we can learn from this kind of laser dynamic compression experiments," said Marius Millot, a LLNL principal investigator of the LDRD project and the senior author of the paper. "This is a very exciting field with multiple opportunities to develop innovative measurement and unravel matter's response to extreme conditions. This is key to interpret astronomical observations and better understand the formation and evolution of celestial objects such as white dwarfs and exoplanets." + Esplora ulteriormente
