Rompiendo los enlaces químicos más fuertes usando láser de presión de choque

Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) obtuvieron recientemente datos termodinámicos de alta resolución sobre el nitrógeno cálido y denso en condiciones extremas, lo que podría conducir a una mejor comprensión de los cuerpos internos de los cuerpos celestes, como las enanas blancas y los exoplanetas.

El equipo, que incluye investigadores de la Universidad de California, Berkeley y la Universidad de Rochester, utilizó una tecnología avanzada que combina la precompresión en una celda de yunque de diamante y láseres. presión de choque En las instalaciones de Omega Laser de la Universidad de Rochester.

Moléculas nitrógeno (norte₂) el 78% del aire que respiramos. Son únicos porque los dos átomos de nitrógeno bar₂ Unido con un triple enlace covalente, es la más fuerte de todas las moléculas diatómicas simples. El nitrógeno también es un componente importante de los cuerpos celestes en el sistema solar exterior y más allá. Por ejemplo, amoníaco (NH₃) se cree que existen tormentas en planetas gigantes como Júpiter, mientras que el planeta enano Plutón, la luna helada de Saturno Titán y la luna helada Tritón de Neptuno tienen N₂Ambiente rico.

Estudios previos que utilizaron esta poderosa técnica revelaron evidencia experimental de hielo de agua superiónica y lluvia de helio en el gas.planetas gigantes. En la nueva investigación, el equipo realizó experimentos de choque con nitrógeno líquido prepresurizado a 800 gigapascales (alrededor de 8 millones de atm).

Observaron señales claras de finalización de la disociación molecular cerca de 70-100 GPa y 5-10 kK (miles de K) y el inicio de la ionización de los electrones externos por encima de 400 GPa y 50 kK.

dijo el físico LLNL Yong-Jae Kim, autor principal de un artículo de investigación que apareció en mensajes de revisión física. «Estudiar cómo se descomponen las moléculas de nitrógeno y cómo se liberan los electrones es una gran prueba de simulaciones por computadora más avanzadas y modelos teóricos».

El equipo también teorizó que estudiar el nitrógeno puede ayudar a resolver algunos de los enigmas sobre el comportamiento de las moléculas de hidrógeno en la etapa inicial de la fusión por inercia en la Instalación Nacional de Ignición.

«Si bien tanto el nitrógeno como el hidrógeno son moléculas diatómicas ligeras, los átomos de hidrógeno son tan pequeños que reproducir su comportamiento bajo presión y temperatura extremas mediante simulaciones por computadora es muy complejo», dijo Kim.

El equipo analizó más de cerca la comparación entre datos experimentales En la nueva investigación y curvas simuladas para la densidad de presión correspondiente a partir de diferentes densidades iniciales. La comparación brindó mayor confianza en la capacidad de las simulaciones por computadora que utilizan la técnica de dinámica molecular de la teoría funcional de la densidad (DFT) para capturar con precisión los cambios mínimos de la física cuántica en las propiedades del material en estas condiciones previamente no documentadas. En particular, los nuevos datos resolvieron una desconcertante discrepancia entre los experimentos anteriores sobre nitrógeno cálido y denso y las predicciones basadas en los resultados de la simulación DFT.

«Hemos demostrado que la teoría funcional de la densidad funciona muy bien para describir nuestros experimentos. Esta es una prueba muy rigurosa y útil», dijo Kim.

Esta investigación es parte de un proyecto de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio (LDRD) para desarrollar nuevas técnicas experimentales de compresión dinámica impulsadas por láser con objetivos de celda de yunque de diamante (DAC). Estas técnicas pueden revelar nuevos fenómenos físicos y químicos en mezclas de bajo número atómico, como las ricas en agua, en un amplio rango de condiciones de presión, temperatura y densidad sin precedentes. La investigación tiene implicaciones para la formación y evolución de los planetas y proporciona información sobre las propiedades del material que se encuentra debajo. condiciones duras.

En particular, Kim ahora dirige pruebas para desarrollar el uso de objetivos DAC en la Instalación Nacional de Ignición. Esto podría ayudar a seguir estudiando el nitrógeno y revelar nuevos fenómenos extraños a temperaturas mucho más bajas, relacionados con la observación de la década de 1980 del enfriamiento inducido por choque y la predicción de la transición de primer orden entre los fluidos de nitrógeno molecular y polimérico por debajo de 2000 K.

«Hay muchas cosas que podemos aprender de este tipo de experimentos dinámicos de presión láser», dijo Marius Melot, investigador principal del LLNL en el proyecto LDRD y autor principal del artículo. «Este es un campo muy emocionante con múltiples oportunidades para desarrollar mediciones innovadoras y revelar la respuesta de la materia a condiciones extremas. Esto es clave para interpretar las observaciones astronómicas y comprender mejor la formación y evolución de los cuerpos celestes, como las enanas blancas y los exoplanetas».