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研究揭示了氦 水化合物的新超離子狀態

眾所周知,氦和水在整個宇宙中都很豐富,特別是在天王星和海王星等巨行星中。雖然氦氣在常見的大氣條件下通常不起反應,但過去的研究發現它有時會在高壓下與其他元素和化合物發生反應。

南京大學和劍橋大學的研究人員最近進行了一項研究,調查氦氣和水在高壓條件下的反應,例如其他行星上的反應。在自然物理學的研究中,他們揭示了兩種以前未知的超離子狀態,它們稱為SI-I和SI-II。超離子狀態基本上是物質的相,其中化合物可以同時表現出液體和固體的某些性質。

“氦氣是元素周期表中最惰性的元素,通常被認為在環境條件下不起作用,”進行這項研究的研究人員之一孫健告訴Phys.org。“然而,已發現氦氣在高壓下會與某些元素和化合物發生反應。我們想了解氦氣和水是否能在高壓下相互作用,以及在行星條件下可能出現的狀態的性質。”

近年來,超離子國家已成為全球許多研究團隊感興趣的話題。這些狀態的已知實例是超離子水(或冰),即在非常高的溫度和壓力下發生的水相,氫原子可以自由移動并且氧原子固定在它們的亞晶格中。

在他們的研究中,Sun和他的同事們使用計算表明,氦氣(He)和水(H 2 O)可以形成幾種穩定的化合物,這些化合物存在于各種壓力條件下(2-92 GPa)。有趣的是,他們發現在高壓和高溫下,這些化合物可以形成以前從未觀察到的超離子狀態。

“我們首先使用基于量子力學的晶體結構搜索方法來發現高壓下最穩定的氦 - 水化合物,”參與該研究的另一位研究人員Chris Pickard告訴Phys.org。“然后我們在高壓和高溫下進行了廣泛的從頭算分子動力學模擬,以探索這些化合物在行星條件下的狀態。”

作為他們研究的最后一步,研究人員根據他們進行的模擬分析了氦 - 水化合物的超離子性質。這最終使他們能夠為這些化合物中的每一種產生壓力 - 溫度相圖。他們在不同壓力和溫度條件下對氦 - 水化合物的分析揭示了兩種先前未知類型的超離子狀態。

“在這些狀態的第一個中,氦原子在固定的冰格框架內表現出液體行為,我們將其命名為SI-I,”參與該研究的另一位研究人員Richard Needs告訴Phys.org。“在第二階段,氦和氫原子在固定的氧亞晶格內以液體狀態移動,我們稱之為SI-II。我們發現,與純水相比,氦的插入大大降低了超離子態的壓力。 “

Sun,Pickard,Needs及其他團隊收集的調查結果可能會產生一些實際意義。例如,它們可以幫助改善我們目前對氦化合物的理解,物質的熔化過程和巨行星的內部結構。

“我們現在將研究其他氦 化合物,特別是與行星科學直接相關的氦化合物,如氨或甲烷,”Sun說。“我們正在尋找宇宙中意想不到的結果,這提供了巨大的可能性。”

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