Eau avec des phénomènes métastables bizarres lorsqu’elle est rapidement comprimée ou refroidie


Dans les cas extrêmes : briser la forme de la glace

Cellules à eau cibles pour les expériences Omega. L’eau est injectée dans la cellule par les tuyaux de remplissage insérés au-dessus. Crédit photo : Carol Davis / LLNL

Une nouvelle recherche impliquant des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) montre que l’eau peut rester liquide dans un état métastable lorsqu’elle passe de la forme liquide à la forme de glace dense à des pressions plus élevées que celles mesurées précédemment.

L’eau dans des conditions extrêmes a récemment attiré l’attention pour son diagramme de phases complexe, y compris les phases de glace superioniques aux propriétés exotiques 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. Même une compression ou un refroidissement très rapide, l’eau présente des bizarres qui ont suscité l’intérêt des physiciens du monde entier pendant de nombreuses années.

« Lorsque l’eau est comprimée très rapidement, elle reste liquide dans un état métastable jusqu’à ce qu’elle se cristallise finalement en Ice VII à une pression plus élevée que prévu », explique Michelle Marshall, chercheuse au Laboratoire d’énergie laser (LLE) de l’Université de Rochester. ancien postdoctorant du LLNL et auteur principal de l’étude, qui s’est déroulée en Lettres d’examen physique.

Ice VII est le polymorphisme stable de l’eau à température ambiante et à des pressions supérieures à ∼2 GPa (plus de 19 000 atmosphères). manteau les lunes de glace de Jupiter et dans les mondes aquatiques au-delà de notre système solaire.

La nouvelle recherche a montré comment l’eau peut rester liquide dans un état métastable lorsqu’elle passe du liquide à la glace-VII à des pressions plus élevées que celles mesurées précédemment. Des travaux expérimentaux antérieurs sur l’installation géante Pulsed Power Z ont montré que l’eau comprimée à 7 GPa (69 000 atmosphères) se transforme en glace VII lorsque l’eau est compressée en rampe pendant des centaines de nanosecondes. Au lieu de cela, les nouvelles expériences se sont tournées vers des lasers à haute puissance dans l’installation laser Omega pour comprimer l’eau sur des échelles de temps encore plus courtes (nanosecondes).

Dans les cas extrêmes : briser la forme de la glace

intégrée dans le temps d’un enregistrement laser dans l’installation laser Omega pour étudier la transition de phase du liquide à la glace VII dans de l’eau comprimée par rampe. Crédit photo : Eugène Kowaluk / LLE

Comme pour les précédents travaux du LLNL sur l’or (Au) et le platine (Pt), la partie la plus difficile est de comprimer l’eau suffisamment doucement pour éviter une onde de choc qui ruinerait l’expérience (c’est-à-dire obtenir une compression de rampe sans à-coups). Étant donné que l’eau est beaucoup plus compressible que les métaux comme l’Au et le Pt, la création d’une onde de compression en rampe dans une couche d’eau fine d’un micromètre nécessite une augmentation beaucoup plus lente de la pression.

« Bien que les pressions que nous atteignons semblent très modestes par rapport à d’autres expériences de compression dynamique ultrarapide pilotées par laser, ces expériences extrêmement difficiles sont vraiment à la limite de ce que nous pouvons faire avec des lasers géants, et c’était un défi passionnant », a déclaré LLNL – Scientifique et co-auteur Marius Millot.

Les nouvelles données montrent que l’eau peut rester liquide jusqu’à au moins 8-9 GPa (79 000-89 000 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 jusqu’à au moins 3,5 fois la pression attendue d’après le diagramme de phase d’équilibre », a déclaré Marshall. « C’est vraiment agréable de penser que nous le comprimons si rapidement que l’eau n’a pas le temps de cristalliser, donc elle reste liquide. »

« Nous sommes à la pointe de la science expérimentale ultrarapide », a déclaré Marshall, « et c’était formidable de travailler avec nos collègues de la théorie et de la simulation pour obtenir une image plus détaillée de ce qui se passe. Il est à noter que les récentes avancées théoriques et numériques permettent aujourd’hui une compréhension fine des phénomènes observés. Cela pourrait avoir un impact sur notre compréhension générale des changements de phase dans des conditions extrêmes. »

Ce travail fait partie d’une tentative 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-glace-VII un banc d’essai intéressant pour la modélisation de la cinétique de transition de phase. SAMSA, un modèle cinétique développé par le LLNL, fournit une compréhension détaillée des résultats expérimentaux et repose sur l’image fondamentalement simple de la nucléation homogène en utilisant la théorie de la nucléation classique.

Dans l’ensemble, ce travail contribue à améliorer les modèles et la compréhension des matériaux, ce qui pourrait avoir des implications intéressantes pour d’autres domaines clés de la recherche du laboratoire tels que la fabrication de pointe et l’impression 3D. Les états métastables et les cristallisations complexes de l’eau sont également d’une importance cruciale pour la recherche atmosphérique et donc pour la sécurité climatique.


Entrez, l’eau est superionique


Plus d’information:
MC Marshall et al., Metastability of Freezing Liquid Water in Ice VII under Dynamic Compression, Lettres d’examen physique (2021). DOI : 10.1103 / PhysRevLett.127.135701

Avec l’aimable autorisation du Laboratoire national Lawrence Livermore

Citation: Eau présentant des phénomènes métastables bizarres lorsqu’elle est comprimée ou rapidement (2021, 30 septembre), consulté le 30 septembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-09-bizarre-metastable-phenomena -compressed-cooled.html

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