Comportamiento de los átomos de H y He en comparación con los átomos de O en Fd-3m He2H2O de simulaciones AIMD en 1, 600 K, 2, 000 K y 2, 300 K. (a – c) Los MSD promediados para el H, Átomos de él y O de simulaciones AIMD a diferentes temperaturas. (d – i) Representación de las trayectorias atómicas en una supercélula a partir de las simulaciones de la última corrida de 5 ps que representan las tres fases distintas:la fase sólida (1, 600 K), la fase superiónica He (2, 000 K), SI-I, y fase superiónica He + H (2, 300 K), SI-II. Para evitar superposiciones, solo H y O se muestran en d – f, y solo He y O se muestran en g – i. Crédito:Liu et al.
Se sabe que el helio y el agua abundan en todo el universo, particularmente en planetas gigantes como Urano y Neptuno. Aunque el helio no suele ser reactivo en condiciones atmosféricas comunes, Estudios anteriores han encontrado que a veces puede reaccionar con otros elementos y compuestos bajo alta presión.
Investigadores de la Universidad de Nanjing y la Universidad de Cambridge han llevado a cabo recientemente un estudio que investiga la reacción entre el helio y el agua en condiciones de alta presión como las de otros planetas. En su estudio, presentado en Física de la naturaleza , revelaron dos tipos de estados superiónicos previamente desconocidos, a los que se refieren como SI-I y SI-II. Los estados superiónicos son esencialmente fases de la materia en las que un compuesto puede exhibir simultáneamente algunas propiedades de un líquido y un sólido.
"El helio es el elemento más inerte de la tabla periódica y, en general, se considera que no reacciona en condiciones ambientales. "Jian Sun, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Sin embargo, Se ha encontrado que el helio reacciona con algunos elementos y compuestos a alta presión. Queríamos comprender si el helio y el agua pueden reaccionar entre sí a alta presión y la naturaleza de los estados que pueden surgir en condiciones planetarias ".
En años recientes, Los estados superiónicos se han convertido en un tema de interés para muchos equipos de investigación en todo el mundo. Un ejemplo conocido de estos estados es el agua superiónica (o hielo), una fase del agua que se produce a temperaturas y presiones muy altas en la que los átomos de hidrógeno pueden moverse libremente y los átomos de oxígeno están fijos en su subred.
En su estudio, Sun y sus colegas utilizaron cálculos para demostrar que el helio (He) y el agua (H 2 O) puede formar varios compuestos estables, que existen en una amplia gama de condiciones de presión (de 2 a 92 GPa). Curiosamente, encontraron que a altas presiones y temperaturas, estos compuestos pueden formar estados superiónicos que nunca antes se habían observado.
Diagrama de fases propuesto del sistema helio-agua a altas presiones obtenido de las búsquedas de estructuras de los investigadores y las simulaciones AIMD. Los símbolos representan cuatro estados termodinámicos distintos muestreados en sus simulaciones:círculo, de Estado sólido; cuadrado, El estado difusivo (SI-I); diamante, estado difusivo de He y H (SI-II); y triangulo, estado fluido. Las líneas punteadas negras se ajustaron a los límites de fase. La línea punteada roja distingue las dos fases sólidas predichas:I41md y Fd3m, así como dos tipos de subred de H2O (I41md y Fd3m) en la región SI-I. Crédito:Liu et al.
"Usamos por primera vez métodos de búsqueda de estructuras cristalinas basados en la mecánica cuántica para descubrir los compuestos de agua y helio más estables a alta presión, "Chris Pickard, otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "Luego realizamos extensas simulaciones de dinámica molecular ab initio a alta presión y temperatura para explorar los estados de estos compuestos en condiciones planetarias".
Como paso final en su estudio, los investigadores analizaron las propiedades superiónicas de los compuestos de agua y helio basándose en las simulaciones que realizaron. Esto finalmente les permitió producir un diagrama de fase de presión-temperatura para cada uno de estos compuestos. Sus análisis de compuestos de agua y helio a diferentes condiciones de presión y temperatura revelaron los dos tipos de estados superiónicos previamente desconocidos.
"En el primero de estos estados, los átomos de helio exhiben comportamiento líquido dentro de un marco de celosía de hielo fijo, que lo llamamos SI-I, "Richard necesita, otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "En la segunda fase, tanto los átomos de helio como de hidrógeno se mueven de forma líquida dentro de una subred de oxígeno fija, que llamamos SI-II. Descubrimos que la inserción de helio disminuye sustancialmente la presión de los estados superiónicos en comparación con el agua pura ".
Los hallazgos recopilados por Sun, Pickard, Las necesidades y el resto de su equipo podrían tener varias implicaciones prácticas. Por ejemplo, podrían ayudar a mejorar nuestra comprensión actual de los compuestos de helio, el proceso de fusión de la materia y la estructura interna de los planetas gigantes.
"Ahora estudiaremos otros compuestos de helio, especialmente los que se conectan directamente con la ciencia planetaria, como amoniaco o metano, ", Dijo Sun." Estamos buscando resultados inesperados en el universo, lo que ofrece enormes posibilidades ".
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