Forskare vid University of Chicago har genomfört kvantsimuleringar för att simulera uppförandet av vatten under extrema förhållanden som finns i jordens mantel. Forskarnas artikel publicerades i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences. Det vetenskapliga arbetet sammanfattas i ett pressmeddelande om EurekAlert !.
Vid ultrahög temperatur och tryck börjar vattnet uppvisa anomala egenskaper, samtidigt i olika faser. Det kan vara flytande när temperaturen på mediet är 10 gånger högre än kokpunkten och kombinerar också tecken på vätska och ett fast ämne.
Forskare simulerade förhållanden med hjälp av en superdator, vilket ökade temperaturen och trycket i miljön där vattenmolekylerna är belägna, till värden som är 40 gånger och 100 tusen gånger högre än normala förhållanden. Det är omöjligt att genomföra ett sådant experiment i ett laboratorium, eftersom vatten börjar komma in i kemiska reaktioner med utrustningsmaterialet. För enkelhets skull tittade forskarna på endast ett litet antal H2O-molekyler genom att undersöka sina kvanttillstånd under extrema förhållanden.
Forskare har visat att vid en temperatur på 1000 Kelvin (726 grader Celsius) och ett tryck på 11-20 gigapascaler (GPa) är vatten i en flytande fas och dissocieras snabbt till joner, som omedelbart rekombineras. Denna process utförs med hjälp av en bimolekylär mekanism, när den kinetiska energin i två molekyler är så hög att de förfaller vid kollision. De resulterande kortlivade jonerna spelar rollen som laddningsbärare, vilket förklarar varför den elektriska ledningsförmågan hos vatten i en sådan extrem miljö är 6-7 storleksordning högre än under normala förhållanden. I detta fall bibehålls vätebindningarna mellan molekylerna, som ger ett flytande tillstånd, åtminstone vid tryck upp till 20 gigapascaler.