Aufbrechen der stärksten chemischen Bindungen mit Laserschockkompression

Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben kürzlich hochpräzise thermodynamische Daten über warmen, dichten Stickstoff unter extremen Bedingungen erhalten, die zu einem besseren Verständnis des Inneren von Himmelsobjekten wie Weißen Zwergen und Exoplaneten führen könnten.

Das Team, dem Forscher der University of California, Berkeley und der University of Rochester angehören, verwendete eine fortschrittliche Technik, die die Vorkomprimierung in einer Diamantambosszelle und die lasergesteuerte Schockkompression in der Omega Laser Facility der University of Rochester kombiniert .

Stickstoffmoleküle (N2) machen 78 % der Luft aus, die wir atmen. Sie sind einzigartig, weil die beiden Stickstoffatome in N2 mit einer dreifach kovalenten Bindung verbunden sind, die die stärkste aller einfachen zweiatomigen Moleküle ist. Stickstoff ist auch ein wichtiger Bestandteil von Himmelskörpern im äußeren Sonnensystem und darüber hinaus. Beispielsweise wird angenommen, dass Ammoniak (NH3)-Stürme auf Riesenplaneten wie Jupiter existieren, während der Zwergplanet Pluto, Saturns Eismond Titan und Neptuns Eismond Triton eine N2-reiche Atmosphäre haben.

Frühere Studien mit dieser leistungsstarken Technik ergaben experimentelle Beweise für superionisches Wassereis und Heliumregen in Gasriesenplaneten. In der neuen Forschung führte das Team Schockexperimente mit vorkomprimiertem molekularem Stickstofffluid mit einem Druck von bis zu 800 GPa (~8 Millionen Atmosphären) durch.

Sie beobachteten klare Signaturen für den Abschluss der molekularen Dissoziation nahe 70–100 GPa und 5–10 kK (Tausende von Kelvin) und den Beginn der Ionisation für die äußersten Elektronen über 400 GPa und 50 kK.

„Es ist sehr aufregend, dass wir Stoßwellen verwenden können, um diese Moleküle zu brechen und zu verstehen, wie Druck und Dichte Änderungen in der chemischen Bindung hervorrufen“, sagte der LLNL-Physiker Yong-Jae Kim, Hauptautor eines in erscheinenden Artikels Briefe zur körperlichen Überprüfung. „Zu studieren, wie man Stickstoffmoleküle aufbricht und wie man Elektronen freisetzt, ist ein großartiger Test für die fortschrittlichsten Computersimulationen und theoretischen Modelle.“

Das Team stellte auch die Theorie auf, dass die Untersuchung von Stickstoff dazu beitragen könnte, einige der Rätsel bezüglich des Verhaltens von Wasserstoffmolekülen in der frühen Phase von Fusionsimplosionen mit Trägheitseinschluss in der National Ignition Facility zu lüften.

„Während Stickstoff und Wasserstoff beide leichte zweiatomige Moleküle sind, sind Wasserstoffatome so klein, dass es sehr komplex ist, ihr Verhalten unter extremem Druck und extremer Temperatur mit Computersimulationen zu reproduzieren“, sagte Kim.

Das Team hat sich den Vergleich zwischen den experimentellen Daten in der neuen Forschung und den entsprechenden simulierten Druck-Dichte-Kurven ausgehend von unterschiedlichen Anfangsdichten genauer angesehen. Der Vergleich stärkte das Vertrauen in die Fähigkeit von Computersimulationen unter Verwendung der Molekulardynamiktechnik der Dichtefunktionaltheorie (DFT), die subtilen quantenphysikalischen Änderungen der Materialeigenschaften unter diesen zuvor nicht dokumentierten Bedingungen genau zu erfassen. Insbesondere lösten die neuen Daten eine rätselhafte Diskrepanz zwischen früheren Experimenten mit warmem, dichtem Stickstoff und Vorhersagen auf der Grundlage der Ergebnisse der DFT-Simulationen.

„Wir haben gezeigt, dass die Dichtefunktionaltheorie wirklich gut funktioniert, um unsere Experimente zu beschreiben. Dies ist ein sehr strenger und nützlicher Test“, sagte Kim.

Die Forschung ist Teil eines laborgesteuerten Forschungs- und Entwicklungsprojekts (LDRD) zur Entwicklung neuer lasergetriebener dynamischer Kompressionsversuchstechniken mit Diamant-Amboss-Zellen (DAC)-Targets. Diese Techniken könnten neue physikalische und chemische Phänomene in Gemischen mit niedriger Atomzahl, wie z. B. solchen, die reich an Wasser sind, über einen weiten Bereich von beispiellosen Druck-Temperatur-Dichte-Bedingungen aufdecken. Die Forschung hat Auswirkungen auf die Planetenentstehung und -entwicklung und liefert Einblicke in die Eigenschaften von Materie unter extremen Bedingungen.

Insbesondere leitet Kim jetzt Experimente zur Entwicklung der Verwendung von DAC-Targets an der National Ignition Facility. Dies könnte dazu beitragen, Stickstoff weiter zu untersuchen und neue exotische Phänomene bei viel niedrigeren Temperaturen zu enträtseln, die mit der Beobachtung der schockinduzierten Abkühlung in den 1980er Jahren und der Vorhersage der 2010er Jahre eines Übergangs erster Ordnung zwischen molekularen und polymeren Stickstoffflüssigkeiten unter 2.000 K zusammenhängen.

„Es gibt noch viel mehr Dinge, die wir aus dieser Art von Laser-Dynamic-Compression-Experimenten lernen können“, sagte Marius Millot, ein LLNL-Hauptforscher des LDRD-Projekts und leitender Autor des Artikels. „Dies ist ein sehr spannendes Gebiet mit zahlreichen Möglichkeiten, innovative Messungen zu entwickeln und die Reaktion der Materie auf extreme Bedingungen zu enträtseln. Dies ist der Schlüssel zur Interpretation astronomischer Beobachtungen und zum besseren Verständnis der Entstehung und Entwicklung von Himmelsobjekten wie Weißen Zwergen und Exoplaneten.“