아이스 XI

Ice XI
C축을 따라 본 얼음 XI의 결정구조

얼음 XI는 일반적인 얼음 형태인 I의 수소h 순서 형태이다.얼음 II에서 얼음 XVIII에 이르기까지 다양한 상의 얼음이 다양한 온도와 압력으로 실험실에서 생성되었습니다.얼음 XI의 총 내부 에너지는 얼음h I보다 약 6분의 1 낮기 때문에 원칙적으로 얼음h I가 72K 이하로 냉각될 때 자연스럽게 형성되어야 한다.이 전환을 달성하기 위해 필요한 낮은 온도는 두 [1]구조물 간의 에너지 차이가 상대적으로 낮은 것과 관련이 있습니다.얼음h 속의 물 분자는 4개의 반랜덤 방향 수소 결합으로 둘러싸여 있다.이러한 배열은 국소적인 양성자 호핑이 충분히 활성화되어 있는 한 저온에서 얼음 XI에서 발견되는 수소 결합의 보다 질서 있는 배열로 변경되어야 한다. 즉,[2] 압력 증가에 따라 프로세스가 쉬워진다.이에 대응하여 얼음 XI는 (~72K, ~0Pa)의 육각형 얼음과 기체가 있는 삼중점을 가지고 있는 것으로 생각된다.

특성.

얼음 XI의 결정구조(수직방향 c축)

얼음 XI는 단위 세포당 8개의 분자를 포함하는 공간 그룹1 Cmc2를 가진 직교 혈전 구조를 가지고 있습니다.격자 [3][4]매개변수는 5K에서 a=4.465(3)Ω, b=7.859(4)Ω, c=7.292(2)Ω이다.단위 셀당 8개의 원자의 직각 구조를 가진 결정학적으로 부등가 수소 배열 얼음은 실제로 16개가 있지만, 전자 구조 계산에서는 Cmc2가1 가장 [5][6]안정적인 것으로 나타났습니다.우주군 Pna2를1 가진 또 다른 가능한 구성도 관심거리인데,[7] 이는 데이비드슨과 모로쿠마가 1984년에 가장 안정적인 구조로 잘못 제시한 반강유전체 결정이기 때문이다.

실제로 얼음 XI는 약 1주일 동안 72K 바로 아래에 보관된 희석(10mM) KOH 용액에서 가장 쉽게 준비된다(DO의 경우2 76K 바로 아래의 온도면 [8][9]충분합니다).수산화 이온은 육각형 얼음에 결함을 만들어, 양성자가 산소 원자 사이를 더 자유롭게 점프할 수 있게 합니다(따라서 얼음 XI의 이 구조는 '얼음 규칙'을 어깁니다).구체적으로는 각 수산화 이온은 Bjerrum L 결함 및 이온화 정점을 생성한다.결함과 이온은 모두 격자 전체로 이동할 수 있으며 양성자 정렬을 통해 '보조'할 수 있습니다.KOH가 다른 알칼리 하이드록시드보다 더 잘 작용한다는 것이 밝혀졌기 때문에 양성+ K이온도 한몫을 할 수 [10]있다.실험적으로 수산화물과 K+ 이온의 이동성이 72K [11][12]부근에서 매우 낮은 것으로 보이기 때문에 이러한 순서 메커니즘의 정확한 세부 사항은 여전히 잘 이해되지 않고 의문이다.현재 KOH는 수소 재배열에만 도움이 되며 얼음 XI의 낮은 에너지 안정성에는 필요하지 않다.그러나, 2010년의 이타카 토시아키의 계산에서는,[13] 이것은 의문이다.Iitaka는 KOH 이온이 c축을 따라 결정 격자의 큰 순 전기 쌍극자 모멘트를 보상한다고 주장한다.상기 전자구조 계산은 무한격자를 가정하여 이루어지며 표면전하에 의해 발생하는 거시적 전계의 영향을 무시한다.이러한 장은 어떤 유한 크기 결정에도 존재하기 때문에 비도프 얼음 XI에서는 기존의 [13]강유전체에서와 같이 교대 쌍극자 모멘트의 도메인이 형성되어야 한다.또한h 양성자의 [14]터널링에 의해 얼음 I = > 얼음 XI 전환이 가능함을 시사했다.

얼음 XI가 얼음h I보다 더 안정적인 형태라고 생각되지만, 변환은 매우 느립니다.한 보고에 따르면, 남극의 조건에서는 [citation needed]촉매의 도움 없이 형성되는 데 최소 10만 년이 걸릴 것으로 추정된다.얼음 XI는 1998년에 [15]약 100년 된 남극의 얼음에서 발견되었다.그러나 2004년 한 추가 연구는 약 3000년 [16]된 남극의 얼음을 연구한 후 이 발견을 재현할 수 없었다.1998년 남극 연구는 또한 변환 온도(얼음 XI => 얼음h I)가 -36°C(237K)이며, 이는 위에서 언급한 예상 삼중점 온도(72K, ~0Pa)보다 훨씬 높다고 주장했다.얼음 XI는 또한 매우 낮은 온도(~10K)와 저압(상층 [17]대기에 존재하는 것으로 생각되는 조건)에서 순수한 물을 사용한 실험에서 발견되었다.최근, 얼음 XI의 작은 도메인이 순수한 물에서 형성되는 것이 발견되었다; 얼음으로의h 상전이 72K에서 최대 70MPa의 [18]정수압 조건에서 일어났다.

얼음 I이 얼음 XI로 변환되었다가 온도가 상승하면h 다시 얼음 I로 변환된 얼음 I은 수소h 질서의 영역을 유지하며 [19]다시 쉽게 얼음 XI로 변환됩니다.중성자 분말 회절 연구는 수소 순서의 작은 도메인이 111K까지 [20]존재할 수 있다는 것을 발견했다.

얼음h XI는 환산(~230cm−1), 사행(~630cm−1), 동상 비대칭 신장(~3200cm−1)[21][22] 영역에서 훨씬 더 강한 피크를 나타내며, 얼음 I과 XI 사이에 라만 스펙트럼에는 뚜렷한 차이가 있다.

얼음c I도 양성자 순서가 있습니다.얼음 XIc의 총 내부 에너지는 얼음 XIh와 유사하게 예측되었다.

역사

얼음에서 수소 순서의 힌트는 1964년 뎅겔 등이 열 자극 탈분극(TSD) 전류의 피크를 양성자 순서 강유전체상의 [24]존재로 간주했을 때 이미 관측되었다.그러나 그들은 위상 전이가 일어났다는 것을 결정적으로 증명할 수 없었고, Onsager는 피크가 결함과 격자 결함의 움직임에서도 발생할 수 있다고 지적했다.Onsager는 실험자들이 신중한 열량 측정 실험을 통해 열 용량의 극적인 변화를 찾을 것을 제안했다.얼음 XI로의 상전이는 1972년 가와다 슈지 [25][26][27]등에 의해 실험적으로 확인되었다.

강유전체 특성

얼음 XI는 강유전체이며, 이는 고유 분극이 있다는 것을 의미합니다.강유전체로서 자격을 갖추기 위해서는 전기장 하에서 편광 전환을 보여야 하며, 이는 결정적으로 입증되지는 않았지만 암묵적으로 가능하다고 가정된다.입방얼음은 강유전체상도 가지고 있으며, 이 경우 얼음의 강유전체 특성은 단층 [28]박막에서 실험적으로 입증되었다.비슷한 실험에서, 육각형 얼음의 강유전체 층이 백금(111) 표면에서 성장했습니다.이 물질은 붕괴 길이가 30개의 단층인 분극이 있어 도판트를 사용하지 않고도 저온에서 얼음 [29]XI의 얇은 층을 기판 위에서 성장시킬 수 있음을 시사한다.1차원 나노 결합 강유전체 얼음 XI는 2010년에 [30]만들어졌다.

천체물리학적 의미

전술한 바와 같이, 얼음 XI는 이론적으로 50-70 K 사이의 온도에서 낮은 압력에서 형성될 수 있다. – 외부 태양계의 천체물리 환경과 달과 수성의 영구 그늘진 극지 분화구 내에 존재하는 온도이다.얼음 XI는 약 70K에서 가장 쉽게 형성됩니다. 역설적이게도, 낮은 온도에서 형성되는 데는 더 오랜 시간이 걸립니다.실험적인 측정값으로 추정하면, 70K에서 형성되기까지는 약 50년, [31]50K에서 약 3억년이 걸릴 것으로 추정된다.그것은 천왕성과[20] 해왕성의 상층 대기권, 명왕성과 카론 [31]같은 곳에 존재하는 것으로 이론화 되어 있다.

목성과 토성의 대기에도 작은 얼음 XI 도메인이 존재할 수 있다.[20]111 K의 온도에서 얼음 XI의 작은 도메인이 존재할 수 있다는 사실은 일부 과학자들이 작은 '핵종자'가 우주로 퍼져나가고 보네거트의 고양이 [20][32]요람에 언급된 전설의 얼음 9와 같이 일반 얼음을 변환하는 성간 우주에서 꽤 흔할 수 있다고 추측하고 있다.성간[31][33] 우주와 행성[34] 형성에 있어 얼음 XI의 가능한 역할은 여러 연구 논문의 주제가 되어 왔다.우주에서의 얼음 XI의 관측 확인이 이루어질 때까지, [13]이에타카에 의해 제기된 앞서 언급한 비판 때문에 우주에 얼음 XI의 존재는 여전히 논란이 되고 있다.얼음 XI의 적외선 흡수 스펙트럼은 우주에서 [35]얼음 XI를 탐색하기 위해 2009년에 연구되었다.또한, 명왕성의 가장 바깥쪽 위성인 히드라는 최근 2015년 7월 14일 명왕성계를 [36]통과하는 동안 뉴 호라이즌스 우주 탐사선에 의해 표면에 얼음 XI가 있는 것이 발견되었다.

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