Лазерное ударное сжатие разрывает самые прочные химические связи
Ученые Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) недавно получили высокоточные термодинамические данные о теплом плотном азоте в экстремальных условиях, которые могут помочь лучше понять внутреннее устройство небесных объектов, таких как белые карлики и экзопланеты.
Лазерные ударные волны, достигающие нескольких миллионов атмосфер, разрывают чрезвычайно прочную тройную связь молекул азота и освобождают часть электронов L-оболочки диссоциированных атомов. Кредит: Лиам Краусс/LLNL
Команда, в которую входят исследователи из Калифорнийского университета в Беркли и Университета Рочестера, использовала передовую технику, сочетающую предварительное сжатие в ячейке с алмазными наковальнями и ударное сжатие с помощью лазера на лазерной установке Omega в Университете Рочестера.
Молекулы азота (N 2 ) составляют 78% воздуха, которым мы дышим. Они уникальны, потому что два атома азота в N 2 связаны тройной ковалентной связью, которая является самой прочной из всех простых двухатомных молекул. Азот также является важным компонентом небесных тел во внешней Солнечной системе и за ее пределами. Например, считается, что аммиачные (NH 3 ) бури существуют на планетах-гигантах, таких как Юпитер, в то время как карликовая планета Плутон, ледяной спутник Сатурна Титан и ледяной спутник Нептуна Тритон имеют атмосферу, богатую N 2.
Предыдущие исследования с использованием этого мощного метода выявили экспериментальные доказательства существования суперионного водяного льда и гелиевого дождя на планетах -гигантах. В новом исследовании команда провела ударные эксперименты с предварительно сжатой жидкостью молекулярного азота при давлении до 800 ГПа (~ 8 миллионов атмосфер).
Они наблюдали четкие признаки завершения молекулярной диссоциации около 70–100 ГПа и 5–10 кК (тысячи кельвинов) и начало ионизации для самых удаленных электронов выше 400 ГПа и 50 кК.
«Очень интересно, что мы можем использовать ударные волны, чтобы разрушить эти молекулы и понять, как давление и плотность вызывают изменения в химических связях», — сказал физик LLNL Йонг-Дже Ким, ведущий автор статьи, опубликованной в Physical Review Letters. «Изучение того, как расщеплять молекулы азота и высвобождать электроны, — отличный тест для самых передовых компьютерных симуляций и теоретического моделирования».
Команда также предположила, что изучение азота может помочь раскрыть некоторые загадки, касающиеся поведения молекул водорода на ранней стадии имплозии с инерционным удержанием в Национальном центре зажигания.
«Хотя азот и водород являются легкими двухатомными молекулами, атомы водорода настолько малы, что воспроизвести их поведение при экстремальном давлении и температуре с помощью компьютерного моделирования очень сложно», — сказал Ким.
Команда более внимательно изучила сравнение между экспериментальными данными в новом исследовании и соответствующими смоделированными кривыми давления-плотности, начиная с разных начальных плотностей. Сравнение обеспечило дополнительную уверенность в способности компьютерного моделирования с использованием метода молекулярной динамики теории функционала плотности (DFT) точно фиксировать тонкие квантово-физические изменения свойств материала в этих ранее недокументированных условиях. В частности, новые данные разрешили загадочное несоответствие между предыдущими экспериментами с теплым плотным азотом и предсказаниями, основанными на результатах моделирования DFT.
«Мы показали, что теория функционала плотности действительно хорошо описывает наши эксперименты. Это очень строгий и полезный тест», — сказал Ким.
Исследование является частью проекта Лабораторных исследований и разработок (LDRD) по разработке новых экспериментальных методов динамического сжатия с лазерным приводом с мишенями из ячеек с алмазными наковальнями (DAC). Эти методы могут раскрыть новые физические и химические явления в смесях с низким атомным числом, таких как смеси, богатые водой, в широком диапазоне беспрецедентных условий давления, температуры и плотности. Исследование имеет значение для формирования и эволюции планет и дает представление о свойствах материи в экстремальных условиях.
В частности, Ким сейчас руководит экспериментами по разработке использования мишеней DAC в Национальном центре зажигания. Это может помочь в дальнейшем изучении азота и раскрытии новых экзотических явлений при гораздо более низких температурах, связанных с наблюдением в 1980-х годах охлаждения, вызванного ударом, и предсказанием в 2010-х годах перехода первого рода между молекулярными и полимерными азотными жидкостями при температуре ниже 2000 К.
«Есть гораздо больше вещей, которые мы можем узнать из подобных экспериментов с лазерным динамическим сжатием», — сказал Мариус Миллот, главный исследователь LLNL проекта LDRD и старший автор статьи. «Это очень захватывающая область с множеством возможностей для разработки инновационных измерений и изучения реакции материи на экстремальные условия. Это ключ к интерпретации астрономических наблюдений и лучшему пониманию формирования и эволюции небесных объектов, таких как белые карлики и экзопланеты».
