Uit het laatste computationele onderzoek van het Carnegie Institution for Science blijkt dat in het diepe binnenste van ijsreuzen als Uranus en Neptunus de gemeenschappelijke elementen koolstof en waterstof in een ongekende vorm kunnen voorkomen. Verwacht wordt dat deze nieuwe toestand van de materie het begrip van de wetenschappelijke gemeenschap over de interne structuur van planeten en het vormingsmechanisme van magnetische velden zal hervormen.
Het onderzoek werd geleid door Cong Liu en Ronald Cohen van het Carnegie Institution for Science, en de relevante resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications. Met behulp van high-performance computing en uitgaande van de eerste principes van de kwantummechanica simuleerden ze systematisch het gedrag van eenvoudige koolwaterstoffen (de chemische formule is CH, dat wil zeggen koolwaterstoffen) onder extreem hoge druk en hoge temperaturen.
Uranus en Neptunus worden geclassificeerd als ‘ijsreuzen’. Bestaande waarnemingen en modellen laten zien dat de interne structuren van deze twee planeten grofweg in drie lagen kunnen worden verdeeld: de buitenste laag is een waterstof-heliumatmosfeer, ingeklemd door een dikke laag ‘heet ijs’, en de binnenste laag is een dichte kern bestaande uit rotsen en metalen. De wetenschappelijke gemeenschap is over het algemeen van mening dat dit ‘hete ijs’ voornamelijk bestaat uit water (H₂O), methaan (CH₄) en ammoniak (NH₄); maar onder extreme druk en temperatuur zullen deze stoffen totaal andere structuren en eigenschappen vertonen dan bij normale temperatuur en druk.
De simulaties van Cong Liu en Cohen bestreken een drukbereik van ongeveer 500 tot 3.000 gigapascal (equivalent aan 5 miljoen tot 30 miljoen keer de atmosferische druk van de aarde) en een temperatuurbereik van ongeveer 4.000 tot 6.000 Kelvin (ongeveer 6.740 tot 10.340 graden Celsius), omstandigheden vergelijkbaar met die diep in ijsreuzenplaneten. De resultaten laten zien dat koolwaterstoffen onder dergelijke planetaire interne omstandigheden een verbinding kunnen vormen met een hexagonale roosterstructuur: koolstof vormt spiraalvormige ketens aan de buitenkant, en waterstof vormt spiraalvormige ketens aan de binnenkant en migreert directioneel langs deze spiraalvormige paden.
In deze structuur vertoont het materiaal een zogenaamde "quasi-eendimensionale superionische toestand". Superionische stoffen vormen een bijzondere toestand tussen vaste stoffen en vloeistoffen: sommige atomen in het kristalrooster blijven geordend in een vaste toestand, terwijl andere atomen zich als een vloeistof vrij in het kristalrooster kunnen bewegen. Onderzoek toont aan dat het koolstofskelet in deze nieuwe fase een geordende hexagonale kristalstructuur behoudt, terwijl waterstofatomen voornamelijk directioneel langs vooraf gedefinieerde spiraalkanalen bewegen in plaats van isotroop te diffunderen in de driedimensionale ruimte.
Cohen wees erop dat de reden waarom deze nieuw voorspelde koolstof-waterstoffase "bijzonder opvallend" is, is dat de atomaire beweging ervan niet volledig driedimensionaal is, maar sterk gericht is op bepaalde specifieke spiraalvormige paden. Dit sterk gerichte migratiekenmerk is zeer zeldzaam in planetaire materialen. Dit "quasi-eendimensionale" superionische gedrag betekent dat de manier waarop warmte en lading in dergelijke materialen worden getransporteerd heel anders kan zijn dan het traditionele begrip van isotrope vloeistoffen met hoge temperatuur.
Deze ontdekking heeft meerdere potentiële implicaties voor de planetaire wetenschap. Allereerst zal de gerichte migratie van waterstof in het kristalrooster rechtstreeks de thermische geleidbaarheid en elektrische geleidbaarheid van het diepe materiaal beïnvloeden, waardoor de manier verandert waarop de interne energie van de planeet wordt overgedragen van de diepe laag naar de buitenste laag. Ten tweede kan deze abnormale geleidende eigenschap verband houden met de speciale magnetische veldvorm van de ijsreuzenplaneten, wat de meer vervormde en excentrieke observatiekarakteristieken van de magnetische veldstructuren van Uranus en Neptunus helpt verklaren in vergelijking met de aarde en gasreuzenplaneten (zoals Jupiter en Saturnus).
De afgelopen jaren heeft het aantal bevestigde exoplaneten de 6.000 overschreden en groeit nog steeds, wat een nauwere samenwerking op het gebied van astronomie, planetaire wetenschap en aardwetenschappen tot gevolg heeft. Door een combinatie van observaties, experimenten en theoretische simulaties proberen onderzoekers de materiële toestand en fysieke processen binnen de planeet te karakteriseren, inclusief het generatiemechanisme van het magnetische veld en de evolutie van diepgelaagde structuren. Het modelleren van de ‘onzichtbare’ gebieden diep in de planeten en manen van het zonnestelsel zal niet alleen helpen het gedrag van deze hemellichamen zelf te begrijpen, maar zal naar verwachting ook aanwijzingen opleveren voor kwesties als de bewoonbaarheid van buitenaardse wezens.
Liu Cong wees erop dat koolstof en waterstof een van de twee meest voorkomende elementen in planetaire materialen zijn, maar dat het gedrag van deze eenvoudige elementencombinatie onder omstandigheden van gigantische planeten nog lang niet volledig wordt begrepen. Dit werk laat zien dat zelfs de meest basale chemische systemen complexe en onverwachte kristal- en dynamische structuren kunnen ontwikkelen onder extreme druk en temperatuur, waardoor de grenzen van het begrip van wetenschappelijke onderzoekers van de materiële wereld onder hoge druk worden verlegd.
Naast zijn betekenis in de planetaire fysica, kan dit materiaal met sterke directionele transporteigenschappen ook toepassingsmogelijkheden vinden in de bredere gebieden van materiaalkunde en techniek. In scenario's die een zeer anisotrope elektrische of thermische geleidbaarheid vereisen, wordt verwacht dat dit type superionisch materiaal een theoretische blauwdruk zal worden voor nieuwe functionele materialen, en nieuwe ideeën zal opleveren voor het ontwerp van toekomstige energie en elektronische apparaten.