아이스 XI
Ice XI얼음 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 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
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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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