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In a laboratory in Las Vegas, a sample of water sits between two diamonds, the hardest material known, and is squeezed until it reaches 35 million pounds per square inch (PSI). A car tire holds about 30 PSI. At that pressure, the water stops behaving the way it does in a glass on a kitchen table.
In einem Labor in Las Vegas liegt eine Wasserprobe zwischen zwei Diamanten, dem härtesten bekannten Material, und wird so lange zusammengedrückt, bis sie 35 Millionen Pfund pro Quadratzoll (PSI) erreicht. Ein Autoreifen hält etwa 30 PSI. Bei diesem Druck verhält sich das Wasser nicht mehr so, wie es in einem Glas auf dem Küchentisch tut.
The usual rule of physics is simple. Compress a material and its atoms are forced closer together, which normally produces more ordered, more symmetrical arrangements. Water breaks that rule. The team at the University of Nevada, Las Vegas (UNLV) found that as pressure rises, water becomes a lower-symmetry version of its former self, and its chemistry changes along with its structure. The work, led by physicist Ashkan Salamat, director of the Nevada Extreme Conditions Lab, is published in Communications Chemistry.
Die übliche physikalische Regel ist einfach: Wird ein Material komprimiert, werden seine Atome enger zusammengepresst, was normalerweise zu geordneteren, symmetrischeren Anordnungen führt. Wasser bricht diese Regel. Das Team der Universität von Nevada, Las Vegas (UNLV) stellte fest, dass Wasser mit steigendem Druck zu einer Version seiner selbst mit niedrigerer Symmetrie wird, wobei sich seine Chemie zusammen mit seiner Struktur verändert. Die Arbeit, geleitet vom Physiker Ashkan Salamat, dem Leiter des Nevada Extreme Conditions Lab, ist in Communications Chemistry veröffentlicht.
The pressure is not chosen at random. Salamat's team says it reproduced conditions closer to those found on Neptune or Uranus, the so-called ice giants, whose interiors are made of hot, metallic-like water, ammonia and methane. Spacecraft data from the Voyager program give scientists an idea of these planets' composition and of their inner pressure and temperature, but no probe can descend into their atmospheres or crust. A laboratory is the only place where the chemistry can be observed directly.
Der Druck wurde nicht zufällig gewählt. Salamats Team erklärt, es habe Bedingungen nachgebildet, die jenen auf Neptun oder Uranus, den sogenannten Eisriesen, nahekommen. Deren Inneres besteht aus heißem, metallartigem Wasser, Ammoniak und Methan. Daten der Voyager-Missionen geben Wissenschaftlern eine Vorstellung von der Zusammensetzung dieser Planeten sowie von Druck und Temperatur in ihrem Inneren, doch keine Sonde kann in ihre Atmosphären oder ihre Kruste eintauchen. Nur im Labor lässt sich die Chemie direkt beobachten.
The method is precise but narrow. The samples were studied with spectroscopy, which reads how matter interacts with light, while X-rays revealed the arrangement of the atoms. The results are laboratory measurements, obtained on a few samples under extreme compression. Salamat's team describes what water could look like deep inside a planet, and notes that if the pressure were released, the water would likely rearrange into a structure more commonly found on Earth.
Die Methode ist präzise, aber eng begrenzt. Die Proben wurden mithilfe der Spektroskopie untersucht, die zeigt, wie Materie mit Licht wechselwirkt, während Röntgenstrahlen die Anordnung der Atome sichtbar machten. Die Ergebnisse sind Labormessungen an wenigen Proben unter extremer Kompression. Salamats Team beschreibt, wie Wasser tief im Inneren eines Planeten aussehen könnte, und merkt an, dass es sich bei einer Druckentlastung wahrscheinlich zu einer Struktur umordnen würde, die auf der Erde häufiger vorkommt.
For now, the first beneficiaries are the researchers who model the interiors of ice giants: they gain measured behaviour of water in conditions where no instrument can go. The study sets no date for any application, and it claims no practical use beyond that scientific picture. Salamat puts the ambition in terms of the long run: "When we eventually get to these worlds, what are we going to see?" Until then, the answer is being built one squeezed sample at a time.
Vorerst profitieren vor allem jene Forscher, die das Innere der Eisriesen modellieren: Sie erhalten gemessenes Verhalten von Wasser unter Bedingungen, in die kein Instrument vordringen kann. Die Studie nennt kein Datum für eine Anwendung und beansprucht über dieses wissenschaftliche Bild hinaus keinen praktischen Nutzen. Salamat formuliert den Ehrgeiz mit Blick auf die fernere Zukunft: „Wenn wir irgendwann diese Welten erreichen – was werden wir dann sehen?“ Bis dahin wird die Antwort Probe für Probe unter Druck erarbeitet.