Carnegie Science predviđa novo kvazi-jednodimenzionalno superionsko stanje ugljenikovog hidrida (CH) koje se može formirati u unutrašnjosti Urana, Neptuna i većih egzoplaneta. Simulacije pokazuju heliksnu ugljeničnu rešetku kroz koju se vodonik kreće duž spiralnih puteva, stvarajući snažnu anisotropiju u termičkoj i električnoj provodljivosti. Nalaz ima implikacije za prenos toplote, tumačenje neobičnih magnetnih polja i razvoj novih materijala.
Novi Oblik Materije U Unutrašnjosti Urana i Neptuna: Heliksni Putovi Vodonika Otkrivaju Kvazi-Jednodimenzionalno Superionsko Stanje
New simulations reveal a bizarre superionic carbon-hydrogen phase that may exist deep inside giant planets. (CREDIT: Shutterstock)
Daleko ispod gustih plavih oblaka Urana i Neptuna, jednostavni elementi poput ugljenika i vodonika mogu da formiraju izuzetno neobične strukture. Istraživači iz Carnegie Science predviđaju novo "kvazi-jednodimenzionalno superionsko" stanje ugljenikovog hidrida (CH) koje bi moglo postojati pri ekstremnim pritiscima i temperaturama u unutrašnjosti ledenih džinova — a možda i u većim egzoplanetama.
Schematic illustration of thermally driven phase evolution in a binary compound. (CREDIT: Nature Communications)
Kako su došli do otkrića
Cong Liu i Ronald Cohen koristili su kombinaciju visokih performansi računarskih simulacija, mašinskog učenja i kvantno-mehaničkih proračuna da istraže stabilne atomske konfiguracije CH pri pritiscima od 500 do 3.000 GPa (otprilike 5–30 miliona puta atmosferskog pritiska Zemlje) i temperaturama 4.000–6.000 K (≈ 3.727–5.727 °C). Simulacije su obuhvatile velike sisteme do 1.500 atoma i testirale stabilnost stanja čak i pri prisustvu strukturnih defekata.
Energetics, dynamical stability, and crystal structures of the helix structure CH compounds. (CREDIT: Nature Communications)
Šta su predvideli
Pri pritiscima iznad ~1.100 GPa CH se, prema proračunima, organizuje u heliksnu kristalnu rešetku: atomi ugljenika formiraju uređen okvir, dok se atomi vodonika poređaju u uvijene, spiralne lance koji prolaze kroz tu mrežu. Struktura liči na sitne, međusobno isprepletene opruge.
Dynamical behavior of C and H atoms in CH compounds under high pressures and high temperatures. (CREDIT: Nature Communications)
Ključna osobina ove faze je da su atomi vodonika mobilni, ali ne u svim smerovima jednakom merom. Na nižim temperaturama materijal je stabilan i ponaša se kao čvrsto telo. Kako temperatura raste do ~2.000 K, vodonik počinje da se kreće pretežno duž ose heliksa i rotira oko nje — to je opisano kao kvazi-jednodimenzionalno superionsko stanje. Pri još višim temperaturama (~5.000 K) vodonik prelazi u uobičajenije trodimenzionalno superionsko ponašanje i difunduje slobodno u svim pravcima.
Proposed P-T phase diagram of the chiral CH compounds obtained from AIMD simulations. (CREDIT: Nature Communications)
Zašto je to važno za planete
Ovakva anisotropija (usmerena provodljivost) znači da materijal provodi toplotu i elektricitet znatno efikasnije duž pravca heliksa nego popreko. U planetarnom kontekstu, to može promeniti način na koji se toplota i električni tokovi kreću u unutrašnjosti, što ima implikacije za modelovanje transporta toplote, dynamiku unutrašnjih slojeva i potencijalno nastanak magnetnih polja.
Anisotropy in electronic transport properties of the CH compound. (CREDIT: Nature Communications)
Uran i Neptun imaju neobična, nagnuta i asimetrična magnetna polja u odnosu na Zemlju ili Jupiter. Iako nova studija ne dokazuje direktno uzrok, pruža mogući mikroskopski mehanizam koji doprinosi usmerenim efektima provodljivosti u njihovim dubinama.
Širi značaj
Osim planetarne fizike, nalaz je interesantan i za kondenzovanu materiju i nauku o materijalima: heliksni putevi vodonika mogli bi nadahnuti razmišljanja o materijalima sa usmerenim (anisotropnim) provodnim svojstvima. Takođe, to pokazuje koliko su moćni alati poput mašinskog učenja u kombinaciji sa kvantnim proračunima pri otkrivanju faza koje je teško ili nemoguće direktno eksperimentalno reproducirati.
"Naš rad pokazuje da i veoma jednostavne kombinacije elemenata pod ekstremnim uslovima mogu formirati iznenađujuće složene strukture." — Cong Liu
Rezultati su objavljeni online u časopisu Nature Communications. Originalni popularni prikaz priče dostupan je u izvoru The Brighter Side of News.
Pomozite nam da budemo bolji.
