物理學：對“海洋世界”行星中發現的高壓冰凝固的新認識！
壓縮實驗允許液態水被驅動到極度過冷的狀態，並使稱為冰VII的高壓多晶型物成核。LLNL的理論工作揭示了這種凝固過程的成核和生長動力學的詳細信息。這個獨特的冰相被認為存在於“海洋世界”行星的核心附近，最近通過觀察發現。信用：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室。
來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的一組理論家解決了一個長期存在的難題，即冰的高壓階段的成核，稱為冰七，據信最近存在於“海洋世界”行星的核心附近在太陽系外探測到，並且最近發現它存在於地球的地幔內。這些發現在Physical Review Letters今天發表的一篇論文中有所描述。
在實驗室實驗中發現水凍結成冰VII，使用衝擊波或斜波將液態水壓縮到超過環境條件下100,000倍的壓力。然而，不同研究小組進行的實驗提出了相互矛盾的成核模式。在一種情況下，冰不均勻地成核（在附近的材料表面上形成），但在其他研究中，發現冰成核均勻（在大部分水樣中）並且具有更快的結晶速率，整個樣品凍結在驚人的短時間尺度為10納秒。
“衝擊壓縮產生的條件不同尋常之處在於它們為系統產生了巨大的驅動力 - 在高壓下凝固時需要考慮獨特的因素，”Philip Myint說道。 LLNL的物理部門和該研究的主要作者，也是期刊中“編輯建議”的特色。“液體被迅速驅離平衡，以至於需要額外的時間才能出現簇，這一過程稱為瞬態成核。”
Myint和共同作者發現，這種瞬態成核機制對結晶的時間尺度有著深遠的影響，這一觀點改變了未來如何進行高壓實驗。
晶體的成核始於原子簇的形成，形成既不是液體也不是固體的界面。在環境壓力下的冷凍水中，在液 - 固界面之前存在一層熱量。關於冰VII動力學的新理論工作描繪了完全不同的圖像，界面前幾乎沒有熱層。
冰VII結構的分子排序。液/冰VII界面在成核過程中起關鍵作用，導致在高壓下使樣品結晶所需的小於100個分子的臨界簇。圖片來源：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室。
“液態和生長的冰VII晶體之間的這種極端溫度不平衡來自極高的過冷度，驅使液體凍結。因此，不需要緩慢的潛熱去除過程，界面速度只能由非常控制。該界面的快速分子排序，“共同作者Alex Chernov說，他是LLNL物理學家，也是晶體生長領域的權威人士。“此外，與通常已知的固化相比，該系統中的成核過程非常特殊，單個臨界核含有少於100個水分子。這是一種我們的物理理解的極限正在測試的制度。”
該團隊開發的理論模型（基於他們早期的工作，在這裡和這裡發表），解釋了十幾個高壓冷凍實驗，也可以闡明需要非常高的成核速率的應用領域，例如在材料合成和存儲器存儲技術方面。
“遠離均衡的物質中出現的跨尺度動態相關性的理解和控制可能是當今最重要的研究前沿和未知，這一領域的進展將成為21世紀技術競爭的關鍵，”共同作者，Babak Sadigh，LLNL物理學家和非平衡現象專家。“通過剖析界面的熱力學和動力學，可以研究並最終控制全新的問題類型。聖盃是設計自動調節動力系統和機器，可以利用遠離平衡的耗散動力學執行復雜的任務，如在生物系統中 - 成核的控制是這條道路上的一步。”
該團隊表示，只有在拒絕更廣泛的震動物理學界直到最近所接受的經驗方法之後，才有可能取得根本性的突破。
“十多年來，衝擊壓縮社區一直無法理解水的壓縮凍結和觀察到的動力學中發生了什麼。我認為，基於物理學的冰VII固化理論終於來了，至少對於均相成核案例，“LLNL先進模擬和計算項目下的物理和工程模型開發動力學研究項目負責人和該論文的通篇作者Jon Belof說。
未來的理論工作將集中在更好地理解異構成核的情景，團隊發現在較低的壓力下發揮更突出的作用。“這是真正的挑戰，”Belof說。“成核是一種罕見的事件，原則上，只需要一個異構網站即可開始。”
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