7 Ноября 2019
МОСКВА, 7 ноября - Американские физики сообщили, что получили суперионный лед. При чудовищных давлении и температуре его кристаллическая решетка из ионов кислорода стабильна, а ионы водорода движутся, словно жидкость. Такую форму вещества теоретически описал 35 лет назад Иван Рыжкин из Института учителя твердого тела РАН. Он рассказал, как можно использовать это открытие на практике. Правила льда
В начале ХХ бытия британские физики Джон Бернал и Ральф Фаулер экспериментально показали, что ионы кислорода обыкновенного водяного льда образуют упорядоченную кристаллическую решетку в виде шестигранной призмы — гексагональную.
Рентгеновские лучи хорошо рассеиваются на электронах, поэтому на слое остается изображение, соответствующее расположению атомов, у которых поедать электроны. В случае воды — это ионы кислорода. У протона масса почти в 2000 раз больше, чем у электрона, он очень слабо рассеивает рентгеновские лучи, и положение этих частиц в кристаллической решетке в то личное время установить не удалось, — рассказывает Иван Рыжкин.
Ученые предположили, что протоны находятся среди катионов кислорода, причем есть два варианта: вблизи иона халькогена — два протона и между двумя ионами кислорода — один протон. Это называют правилами льда. Иллюстрация Кристаллическая структура гексагонального льда. Ионы кислорода в узлах кристаллической решетки — красные, ионы дейтерия — серые.
Американский химик Лайнус Полинг выдвинул гипотезу, что у всех конфигураций, удовлетворяющих этим правилам, одинаковая энергия, подсчитал их число и соответственную остаточную энтропию.
Теоретические результаты Полинга проинспектировали экспериментально — совпали с правильностью до десятых долей процента. Однако это противоречило третьему закону термодинамики, согласно которому обрезковая энтропия должна равняться нулю. Долгое время лед оставался подходящим, нарушающим третий закон термодинамики. Сейчас известны и другие материалы такого рода.
В кристаллической композиции льда нельзя передвинуть ни один протон, потому, что это приведет к нарушению правил. Значит, при температуре, равной абсолютному нулю, протонная конфигурация заморожена, ионы дейтерия не движутся.
При ненулевой температуре выпрыгивают ионные дефекты и дефекты скрепы, нарушающие правила льда. То есть вблизи иона халькогена расположены три и один нуклон или водородные связи — с двумя протонами, а также без них.
Под действием электрического поля эти дефекты перемещаются по решетке, обеспечивая протонную проводимость (носителями зарядов выступают протоны, а не электроны). Пока дефектов очень мало, протонная проводимость льда в простом состоянии минимальна — около 10-9 См/м (сименс на погонный метр). Фото : А. В. Клюев / ННГУНарушение правил льда. А — возникновение ионного дефекта, Б — дефекта связиСуперионный переход
В начале 1980-х в Институте учителя твердого тела в Черноголовке под руководством Виктора Петренко создали лабораторию для изучения фундаментальных свойств льда. Мотивация была очень обычный: Россия — единственная страна в мире, где повального живут, строят и работают в условиях очень низких температур.
Иван Рыжкин присоединился к коллективу в качестве теоретика. Вскоре ему удалось объяснить, почему выясняются правила льда, как расстраиваются и какова природа состояния без этих правил.
Один из способов добиться такого состояния — нагреть лед, а, чтобы он не расплавился, поместить образец под высокое давление. Оказалось, что при температуре порядка 1000 градусов концентрация ионных дефектов пучится скачком в сотни миллионов раз. Соответственно растет и протонная проводимость.
Ключевое слово здесь именно скачком. В физике это фазовый переход первого рода. Высокая ионная проводимость характерна для микролитов, у которых расплавлена только одна подрешетка. Это суперионные кристаллы, или твердые электролиты. Поэтому я назвал такой лед суперионным и в 1985 году опубликовал статью в английском журнале Solid state communications. По моим данным, это первая работа, в которой было предсказано суперионное состояние льда и введен термин, — говорит ученый.
В то время сдавалось, что у работы чисто теоретическое значение, так как для экспериментальной проверки требовались недоступные в то время давления, около 100 гигапаскалей. Но сейчас добиваются 150 гигапаскалей в стационарных случаях и 300-400 гигапаскалей на очень короткое время с помощью ударных волн.
Благодаря огромному прогрессу вычислительной техники, к самый простым теоретическим и экспериментальным методам добавились новые (в частности, моделирование), позволяющие чувствовать интересные результаты для условий, неосуществимых в реальном эксперименте. В результате льдом при превосходных давлениях и температуре занялись многие исследователи. Фазовую диаграмму выяснили в очень широкой области, а термин суперионный лед поработал очень популярным. Martin Chaplin/http://www1. lsbu. ac. uk/water/ice_xviii. htmlФазовая диаграмма льда при экстремальных давлении и температуреЛед взрывается, но не плавится
В феврале 2018 года в Nature Physics вышла статья южноамериканских физиков, экспериментально подтвердивших конкретность суперионного льда. Исследователи во главе с Мариусом Милло из Ливерморской национальной лаборатории синтезировали в алмазной наковальне водяной лед VII и затем лазером взорвали его.
Ударные волны внутри образца нагревали отдельные участки до почти пяти тыщ градусов Кельвина и сдавливали до 190 гигапаскалей. Это продолжалось мгновения, но ученые поспели изучить это состояние оптическими методами и косвенно оценить протонную проводимость. В мае этого года та же группа опубликовала в Nature еще одну работу — исследование атомной решетки льда в тех же условиях с помощью рассеяния рентгеновских лучей.
У этих работ есть одна особенность. Дело в том, что при получении высокого давления ударными шубами время ограничено обычно несколькими наносекундами. Этого достаточно, чтобы определить атомную структуру методом рассеяния рентгеновских лучей или провести зрительные измерения, но мало для статической протонной проводимости, которая по определению должна измеряться в стационарном состоянии. Поэтому в экспериментах с ударными волнами допустимым только косвенные оценки, — продолжает Рыжкин. И дополняет: Сегодня можно с твердостью сказать, что суперионный лед существует. Иллюстрация Суперионный лед. Решетка из катионов кислорода (синих) сберегается, а ионы водорода (серые) приходят в сообщение. Протонная проводимость резко увеличиваетсяСуперионный и металлический
Как выглядит суперионный лед? Он в четыре раза увесистее обычного и не такой прозрачный. Его удельная протонная проводимость — порядка 10 См/м.
При любых высоких температурах возникает особая ступенька, которую можно назвать чугунным льдом. Если в суперионном состоянии высокая протонная проводимость, но низкая электронная, то в металлическом к протонной додаётся еще более высокая электронная.
Это очень необычное состояние, в котором и протоны, и фермионы размазаны по всему кристаллу. Такой лед непрозрачный, отзывает свет, с металлическим люксом, возможно, черный. 23 января 2017, 14:01Физики выяснили, как можно расплавить лед при температуре ниже нуляДля планетологов, фармацевтов, энергетиков
Считается, что суперионный лед поедать в недрах ледяных гигантов — Нептуна и Урана. Планетологи надеются с его помощью приписать особенности магнитных полей этих земель, выявленные аппаратом Вояджер-2.
Магнитные поля ледяных гигантов устроены сложно, с более чем двумя центрами ротации, не так значительного зависят от вращения планет. Такое возможно, если себе представить, что их внешние оболочки содержат слой проводящего флюида, а ниже находится мощная мантия из суперионного льда. 26 января 2016, 14:48Ученые опровергли существование планеты- Годзиллы в созвездии ДраконаПовторные наблюдения за самой замечательный и необычной землеподобной планетой Kepler-10c в созвездии Дракона показали, что на самом деле она является не каменистым небесным телом, а небольшим газовым колоссом или гигантской планетой-океаном
Суперионному льду наверняка найдется и другое применение. Так, несколько лет назад разинули сверхпроводимость сероводорода — структурного аналога воды. Сверхпроводимость возникала при давлении около 150 гигопаскалей и при температуре около 203 кельвинов — это выше, чем самая низкая температура на Земле в естественных условиях.
Удивительно, но решетка ионов серы в сероводороде при таких высоких давлениях и кислородная решетка воды, раскрытая в вышеупомянутой работе Милло, — одного типа. Прежде чем стать сверхпроводником, сероводород переходит в металлическое состояние, но такое состояние есть и у льда, правда, при высоких температурах. Вопрос: возможна ли сверхпроводимость воды в какой-либо области фазовой диаграммы? Исследование этой аналогии, а в самом широком принципе — поиск сверхпроводимости в водородосодержащих соединениях — очень перспективно, — объясняет Иван Рыжкин. 23 апреля, 08:00Сверхпроводимость при комнатной температуре: реванш советской науки
Его последние публикации посвящены очень странному объекту — ограниченной воде (confined water). Она получается, если воду запереть в емкости размером какого-то несколько нанометров. В конечный результате взаимодействия молекул воды со мебелями правила льда также нарушаются. Формируется система, которую можно назвать жидким льдом или твердой водой.
Мы говорим о состоянии с жидкой системой водородных связей. Оно похоже на суперионное, так как кислородная подрешетка сберегается, а протонная расплавлена, о чем свидетельствует очень превосходная протонная проводимость, порядка 100 См/м, как в любых лучших суперионных кристаллах, — приводит ученый еще один простой пример.
У этого направления исследований много перспектив в самых разных областях. Например, в медицине.
Не выгнанного, что в клетках и наноканалах живых организмов вода обитает именно в ограниченном состоянии. Ее протонная проводимость, особенность взаимодействия с заряженными ионами разрешают, в частности, приписать, почему мембрана клетки избирательно пропускает ионы калия, элемента. Если научиться управлять сей селективной проницаемостью клеточных мембран, удастся разрабатывать более эффективные зелья.
В области водородной энергетики одна из ключевых задач — создание протон-проводящих мембран. Сейчас для этого используются полимерные пористые пленки молодчика Нафион, каналы которого заполнены водой. Там она обитает в состоянии с настолько превосходной протонной проводимостью, что ее также можно назвать суперионной. 25 марта 2015, 21:00Графеновый сэндвич помог физикам пока создать хипстерский кубический ледКак полагают изыскатели, подобные необычные кристаллы могут возникать не только в графене. Они могут существовать и в природе, в умнейших трещинах в поверхности камней и почвы или даже внутри клеточек, в которых присутствуют отдельные белки, формирующие транспортировочные выработки толщиной в нанометры. Квантовые эффекты льда
Исследования суперионного льда стимулировали развитие эмпирических методов получения высокого давления. А когда стали сдавливать лед до плотности четыре грамма на кубический сантиметр, то поедать получать лед с длиной водородной связи меньше двух ангстрем, возникли вопросы о роли квантового характера протонов.
Дело в том, что при сдавливании уменьшается расстояние между возможными позициями протонов и увеличивается вероятность их квантового туннелирования, то есть просачивания в те области пространства, куда по классической механике им нет доступа, и в конце концов квантового размывания частиц по кристаллу. Нечто похожее вершится в гелии при низких температурах. Это называют сверхтекучестью.
В эпизоде льда сверхтекучей может стать протонная подрешетка, тогда как кислородная сохранится. Для такого, пока гипотетического, состояния поедать английский термин supersolid, хотя буквальный перевод — супертвердый — явно не отражает сути явления.
Несколько экспериментальных работ претендуют на открытие подобного состояния. Например, несколько лет назад группе Александра Колесникова, бывшего сотрудника ИФТТ РАН, теперь работающего в Ок-Риджской национальной лаборатории (США), удалось наполнить молекулами воды шестиугольные каналы диаметром пять ангстрем в минерале берилле. Получилась ограниченная вода. При охлаждении ионы водорода начали туннелировать. Это зафиксировали методом нейтронного рассеяния, который, в отличие от рассеяния рентгеновских радиев, позволяет сразу определять положение частиц. Авторы назвали это состояние воды квантовым.
Вероятно, квантовые эффекты лежат в основе многих пока необъясненных аномалий воды. Можно сказать, что штудирование квантовых свойств воды выходит на первый план в данной области, — отмечает Иван Рыжкин. 16 января, 15:04Гелий помог физикам из России воссоздать первичную материю Вселенной Научная непредубежденность
Цитируют ли мою первую работу по суперионному состоянию льда? Мало, около 20 ссылок за все время. Впрочем, это не только моя проблема, но и других российских ученых, — говорит физик.
Недавно он разослал оттиск своей статьи зарубежным исследователям, занимающимся этой проблемой. Вот типичные ответы:
Я не знал о вашей статье, которую нахожу очень интересной. Эта работа и раннее предсказание не только было неизвестно нам до 1999 года, но, очевидно, проигнорировано всей литературой по суперионному льду с 1988-го по нынешнее время.
Я сожалею, что пропустил вашу необходимую работу.
Жаль, что открыл для себя вашу статью 1985 года недавно, после того как опубликовал свои статьи про суперионный лед!
К чести западных коллег, все они обещали цитировать Рыжкина — и некоторые уже это сделали. Фото : М. И. Рыжкин / ИФТТ РАНИван Рыжкин, физик-теоретик, предсказавший суперионное состояние льда НаукафизикаРоссийская академия наукЧерноголовкаСША
Редактор рубрики
Олег Кудрин
Место события на карте мира:
.
.
.
Комментарии к новостям
[17 Января 2024, 13:43] Александр Хомяков Замечательно! Не ожидал такой оперативности. Спасибо огромное! Всё работает и обновляется....
[15 Апреля 2022, 20:25] Ангелина Сметанина Скоро не только сократят, а много заводов вообще закроют и начнется бум китайских авто. Даже сейчас Эксид уже бешеные темпы по количеству проданных машин показывает...
[27 Декабря 2021, 21:44] Ева Воробьева Искренне рада за победителя! Но если бы мне так крупно повезло, то я прибежала бы за выигрышем в первый же день???? ...
[2 Сентября 2021, 13:11] Дмитрий Ершов Это хорошо. Значит клиенты долго ждать не будут. ...
[13 Мая 2021, 16:26] Олег Андреев "Мальдивы сутунки 65 государством, зарегистрировавшим расейскую вакцину против коронавируса Спутник V, сообщил Российский фонд секущих инвестиций (РФПИ)". Что это за йязыг?...
[2 Ноября 2020, 15:22] Лета Мирликийская риветсвую вас я с 6-ти лет пишу мне нужно все мои произведения задействовать в компьюторных программах образования по литературе и языкам и играм к примеру если ваши учащиеся напишут...
[20 Октября 2020, 09:22] Евгений Зимин Сузуки в этом году хорошо прибавили, уже не первый раз оба их пилота на подиуме. Видимо, для команды возвращаются "золотые" времена и есть шанс наконец оформить чемпионство после длительного перерыва....