Comportement des atomes H et He par rapport aux atomes O dans Fd-3m He2H2O à partir des simulations AIMD à 1, 600K, 2, 000 K et 2, 300 K. (a–c) Les TMS moyens pour le H, Atomes He et O issus de simulations AIMD à différentes températures. (d–i) Représentation des trajectoires atomiques dans une supercellule à partir des simulations du dernier run de 5 ps représentant les trois phases distinctes :la phase solide (1, 600K), la phase superionique He (2, 000K), SI-I, et phase superionique He + H (2, 300K), SI-II. Pour éviter les chevauchements, seuls H et O sont représentés dans d–f, et seuls He et O sont montrés dans g–i. Crédit :Liu et al.
L'hélium et l'eau sont connus pour être abondants dans tout l'univers, en particulier dans les planètes géantes comme Uranus et Neptune. Bien que l'hélium soit généralement non réactif dans des conditions atmosphériques courantes, des études antérieures ont montré qu'il peut parfois réagir avec d'autres éléments et composés sous haute pression.
Des chercheurs de l'Université de Nanjing et de l'Université de Cambridge ont récemment mené une étude sur la réaction entre l'hélium et l'eau dans des conditions de haute pression comme celles d'autres planètes. Dans leur étude, présenté dans Physique de la nature , ils ont dévoilé deux types d'états superioniques jusqu'alors inconnus, qu'ils appellent SI-I et SI-II. Les états superioniques sont essentiellement des phases de la matière dans lesquelles un composé peut présenter simultanément certaines propriétés d'un liquide et d'un solide.
"L'hélium est l'élément le plus inerte du tableau périodique et généralement considéré comme non réactif dans les conditions ambiantes, " Jian Sun, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Toutefois, l'hélium a été trouvé réagir avec certains éléments et composés à haute pression. Nous voulions comprendre si l'hélium et l'eau peuvent réagir l'un avec l'autre sous haute pression et la nature des états qui peuvent émerger dans des conditions planétaires."
Dans les années récentes, Les états superioniques sont devenus un sujet d'intérêt pour de nombreuses équipes de recherche dans le monde. Un exemple connu de ces états est l'eau superionique (ou glace), une phase d'eau qui se produit à des températures et des pressions très élevées auxquelles les atomes d'hydrogène peuvent se déplacer librement et les atomes d'oxygène sont fixés dans leur sous-réseau.
Dans leur étude, Sun et ses collègues ont utilisé des calculs pour montrer que l'hélium (He) et l'eau (H
Diagramme de phase proposé du système hélium-eau à haute pression obtenu à partir des recherches de structure des chercheurs et des simulations AIMD. Les symboles représentent quatre états thermodynamiques distincts échantillonnés dans leurs simulations :cercle, état solide; carré, Il état diffusif (SI-I); diamant, à la fois He et H état diffusif (SI-II); et triangulaire, état fluide. Les lignes pointillées noires ont été ajustées aux limites de phase. La ligne pointillée rouge distingue les deux phases solides prédites :I41md et Fd3m, ainsi que deux types de sous-réseaux H2O (I41md et Fd3m) dans la région SI-I. Crédit :Liu et al.
"Nous avons d'abord utilisé des méthodes de recherche de structure cristalline basées sur la mécanique quantique pour découvrir les composés hélium-eau les plus stables sous haute pression, " Chris Pickard, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. "Nous avons ensuite effectué des simulations approfondies de dynamique moléculaire ab initio à haute pression et température pour explorer les états de ces composés dans des conditions planétaires."
Comme dernière étape de leur étude, les chercheurs ont analysé les propriétés superioniques des composés hélium-eau sur la base des simulations qu'ils ont effectuées. Cela leur a finalement permis de produire un diagramme de phase pression-température pour chacun de ces composés. Leurs analyses des composés hélium-eau à différentes conditions de pression et de température ont dévoilé les deux types d'états superioniques jusqu'alors inconnus.
« Dans le premier de ces états, les atomes d'hélium présentent un comportement liquide dans un cadre fixe de glace-réseau, que nous avons nommé SI-I, " Richard a besoin, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. « Dans la deuxième phase, les atomes d'hélium et d'hydrogène se déplacent à la manière d'un liquide dans un sous-réseau d'oxygène fixe, que nous avons nommé SI-II. Nous avons constaté que l'insertion d'hélium diminue considérablement la pression des états superioniques par rapport à l'eau pure."
Les conclusions recueillies par Sun, Pickard, Les besoins et le reste de leur équipe pourraient avoir plusieurs implications pratiques. Par exemple, ils pourraient contribuer à améliorer notre compréhension actuelle des composés de l'hélium, le processus de fusion de la matière et la structure interne des planètes géantes.
"Nous allons maintenant étudier d'autres composés de l'hélium, en particulier ceux qui se connectent directement avec la science planétaire, comme l'ammoniac ou le méthane, " dit Sun. "Nous recherchons des résultats inattendus dans l'univers, qui offre d'énormes possibilités."
© 2019 Réseau Science X
