物理学：对“海洋世界”行星中发现的高压冰凝固的新认识！
压缩实验允许液态水被驱动到极度过冷的状态，并使称为冰VII的高压多晶型物成核。LLNL的理论工作揭示了这种凝固过程的成核和生长动力学的详细信息。这个独特的冰相被认为存在于“海洋世界”行星的核心附近，最近通过观察发现。信用：劳伦斯利弗莫尔国家实验室。
来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的一组理论家解决了一个长期存在的难题，即冰的高压阶段的成核，称为冰七，据信最近存在于“海洋世界”行星的核心附近在太阳系外探测到，并且最近发现它存在于地球的地幔内。这些发现在Physical Review Letters今天发表的一篇论文中有所描述。
在实验室实验中发现水冻结成冰VII，使用冲击波或斜波将液态水压缩到超过环境条件下100,000倍的压力。然而，不同研究小组进行的实验提出了相互矛盾的成核模式。在一种情况下，冰不均匀地成核（在附近的材料表面上形成），但在其他研究中，发现冰成核均匀（在大部分水样中）并且具有更快的结晶速率，整个样品冻结在惊人的短时间尺度为10纳秒。
“冲击压缩产生的条件不同寻常之处在于它们为系统产生了巨大的驱动力 - 在高压下凝固时需要考虑独特的因素，”Philip Myint说道。 LLNL的物理部门和该研究的主要作者，也是期刊中“编辑建议”的特色。“液体被迅速驱离平衡，以至于需要额外的时间才能出现簇，这一过程称为瞬态成核。”
Myint和共同作者发现，这种瞬态成核机制对结晶的时间尺度有着深远的影响，这一观点改变了未来如何进行高压实验。
晶体的成核始于原子簇的形成，形成既不是液体也不是固体的界面。在环境压力下的冷冻水中，在液 - 固界面之前存在一层热量。关于冰VII动力学的新理论工作描绘了完全不同的图像，界面前几乎没有热层。
冰VII结构的分子排序。液/冰VII界面在成核过程中起关键作用，导致在高压下使样品结晶所需的小于100个分子的临界簇。图片来源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室。
“液态和生长的冰VII晶体之间的这种极端温度不平衡来自极高的过冷度，驱使液体冻结。因此，不需要缓慢的潜热去除过程，界面速度只能由非常控制。该界面的快速分子排序，“共同作者Alex Chernov说，他是LLNL物理学家，也是晶体生长领域的权威人士。“此外，与通常已知的固化相比，该系统中的成核过程非常特殊，单个临界核含有少于100个水分子。这是一种我们的物理理解的极限正在测试的制度。”
该团队开发的理论模型（基于他们早期的工作，在这里和这里发表），解释了十几个高压冷冻实验，也可以阐明需要非常高的成核速率的应用领域，例如在材料合成和存储器存储技术方面。
“远离均衡的物质中出现的跨尺度动态相关性的理解和控制可能是当今最重要的研究前沿和未知，这一领域的进展将成为21世纪技术竞争的关键，”共同作者，Babak Sadigh，LLNL物理学家和非平衡现象专家。“通过剖析界面的热力学和动力学，可以研究并最终控制全新的问题类型。圣杯是设计自动调节动力系统和机器，可以利用远离平衡的耗散动力学执行复杂的任务，如在生物系统中 - 成核的控制是这条道路上的一步。”
该团队表示，只有在拒绝更广泛的震动物理学界直到最近所接受的经验方法之后，才有可能取得根本性的突破。
“十多年来，冲击压缩社区一直无法理解水的压缩冻结和观察到的动力学中发生了什么。我认为，基于物理学的冰VII固化理论终于来了，至少对于均相成核案例，“LLNL先进模拟和计算项目下的物理和工程模型开发动力学研究项目负责人和该论文的通篇作者Jon Belof说。
未来的理论工作将集中在更好地理解异构成核的情景，团队发现在较低的压力下发挥更突出的作用。“这是真正的挑战，”Belof说。“成核是一种罕见的事件，原则上，只需要一个异构网站即可开始。”
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