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El diagrama de fases del agua es, discutiblemente, uno de los diagramas de fases más ricos y más estudiados por el hombre. En 1912, Bridgman descubrió 5 fases sólidas del agua y, desde entonces, los estudios sobre los polimorfismos del hielo han documentado más de 18 estructuras cristalinas y varias amorfas. Sorprendentemente, aún existen interrogantes fundamentales en cuanto al diagrama de fases, particularmente en condiciones extremas de presión y temperatura. En los últimos años, y empleando compresión por choque con rayo láser, se logró comprimir y calentar agua líquida a presiones de 100- 400 GPa y temperaturas de 2000-3000K durante algunos nanosegundos. En estas condiciones, se logró realizar difracción con rayos X in situ, demostrando la solidificación del agua en la forma de granos de tamaño nanométrico que exhiben evidencia indudable de una red cristalina de oxígenos en hielo superiónico, en una nueva fase que fue denominada hielo XVIII, de características superiónicas. En este tipo de fases, el agua presenta un comportamiento exótico, los átomos de oxígeno se arreglan en un sólido cristalino mientras que los hidrógenos se comportan como un fluido. El interés de la comunidad por comprender las características del agua en estas condiciones (presiones y temperaturas mayores a 100 GPa y 1000 K respectivamente) radica en que estas son las mismas que se encontrarían en los interiores de Urano y Neptuno.
En este trabajo se estudiaron distintos aspectos de transiciones de fase que involucran agua en fase Hielo Superiónico XVIII a altas presiones y temperaturas. Utilizando Dinámica Molecular y potenciales que utilizan Deep Learning para reproducir los resultados obtenidos por Teoría del Funcional de la Densidad, se analizó la evolución de muestras de hielo XVIII al someterlas a distintas temperaturas a una presión constante de 340 GPa. En el rango de temperaturas exploradas, desde los 1700 a los 2300 K el modelo exhibe 2 fases diferentes: hielo X, sólido y hielo
superiónico XVIII. Los resultados encontrados muestran que para muestras iniciales de HS XVIII cuya red de oxígenos forma un monocristal, al descender la temperatura desde los 2300 a los 1700 K, el sistema transiciona desde fase superiónica a sólida. En esta transición se observa una asimetría, los hidrógenos cristalizan antes de que los oxígenos sufran una transición martensítica. Para la transición inversa esta asimetría no está presente. Al introducir defectos en la muestra inicial, en específico un borde de grano, los efectos de nucleación tanto cristalina como líquida, modifican las temperaturas de transición.
The phase diagram of water is arguably one of the richest and most studied phase diagrams known to mankind. In 1912, Bridgman discovered five solid phases of water, and since then, studies on ice polymorphisms have documented more than 18 crystalline structures and several amorphous ones. Surprisingly, there are still fundamental questions regarding it’s phase diagram, particularly under extreme pressure and temperature conditions. In recent years, using laser-driven shock compression, liquid water has been compressed and heated to pressures of 100-400 GPa and temperatures of 2000-3000 K for a few nanoseconds. Under these conditions, in situ X-ray diffraction was performed, demonstrating the solidification of water into nanometer-sized grains that exhibit clear evidence of a crystalline oxygen lattice in superionic ice, in a new phase named ice XVIII, characterized by superionic properties. In this type of phase, water exhibits exotic behavior; oxygen atoms arrange into a crystalline solid while the hydrogens behave like a fluid. The interest of the scientific community in understanding the characteristics of water under these conditions (pressures and temperatures greater than 100 GPa and 1000 K, respectively) lies in the fact that these are the same conditions that would be found in the interiors of Uranus and Neptune. In this work, various aspects of phase transitions involving water in the Superionic Ice XVIII phase at high pressures and temperatures were studied. Using Molecular Dynamics and potentials that employ Deep Learning to reproduce the results obtained by Density Functional Theory, the evolution of ice XVIII samples was analyzed by subjecting them to different temperatures at a constant pressure of 340 GPa. In the explored temperature range, from 1700 to 2300 K, the model exhibits two different phases: solid ice X and superionic ice XVIII. The results show that for initial samples of Superionic Ice XVIII where the oxygen lattice forms a single crystal, as the temperature decreases from 2300 to 1700 K, the system transitions from the superionic phase to the solid phase. In this transition, an asymmetry is observed, where the hydrogens crystallize before the oxygens undergo a martensitic transition. For the reverse transition, this asymmetry is not present. When defects are introduced in the initial sample, specifically a grain boundary, the effects of both crystalline and liquid nucleation modify the transition temperatures.
Disciplinas:
Ciencias ambientales - Física
Descriptores:
SIMULACIÓN POR COMPUTADORA - FASES DEL AGUA - DINÁMICA MOLECULAR
Palabras clave:
Diagrama de fases - Polimorfismos del hielo - Hielo superiónico
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