高温高压下氨水合物分子的离子化相变及电输运性质研究

Water and ammonia are considered major components of the interiors of the giant icy planets and their satellites. The molecular phases of them will transform to ionic or superionic phases under extreme conditions. The fast protonic diffusion in the superionic phase may be relevant to explain the unusual magnetic fields of Neptune or Uranus, which has motivated their exploration under high P-T conditions. The existences of superionic water and ammonia, ionic ammonia and symmetric water have been highlighted by both experimental and theoretical methods. The reports have also shown that the pure ammonia hydrates will transform to ionic or superionic phases under relatively mild pressure conditions, which still keep absence in systematic experimental researches. These project focuses on three stoichiometric mixtures exist in nature: ammonia monohydrate (H2O:NH3, noted AMH), ammonia hemihydrate (H2O:2NH3, noted AHH) and ammonia dihydrate (2H2O:NH3, noted ADH). High pressure experiments will be carried out by using a diamond anvil cell (DAC). These samples will be studied by high pressure in situ alternating impedance spectroscopy, synchrotron X-ray diffraction, infrared absorbance spectroscopy and Raman measurement experiments. This project aims to systematically explore the intrinsic link between pressure-induced phase transitions and their ionic/superionic characters and provide experimental evidence for the theorists to build a variety of more reasonable interior models in icy planets.

水和氨被认为是巨大冰行星及其卫星的主要成分，极端条件下分子冰会转变成离子冰或者超离子冰。在超离子相中的快速质子扩散可能与解释海王星或天王星的异常磁场有关，这激发科学家对其在高P-T条件下进行探索。超离子水、氨和离子氨已经被理论和实验工作所证实。资料显示，氨水混合物在更低的P-T条件下会发生向离子冰或者超离子冰的转变，该领域的实验研究尚未见系统报道。本项目以在自然界中存在的三种氨水纯相混合物（氨的一水合物，氨的二水合物和氨的半水合物）为研究对象，利用金刚石对顶砧压机加压，通过变温高压原位阻抗谱进行电学测量，结合高压原位同步辐射X光衍射、高压原位Raman散射以及高压原位红外吸收光谱测量技术，从多物理量在高压下的变化入手，探索氨水冰压力依赖的离子相和超离子相的电输运性质与结构相变的关联机制，为理论工作者进行行星内部建模提供实验依据。

水和氨作为巨型冰行星及其卫星的主要成分，极端条件下会转变成离子冰或超离子冰。其中，离子或超离子相中的质子扩散可能与解释海王星或天王星的异常磁场有关。与纯水、纯氨产生的超离子相和离子相比，氨水合物被理论预测在更低的温压条件下发生向离子相或者超离子相的转变，但缺乏实验证据。在本基金的支持下，项目负责人从样品的制备、温压设备的优化设计到表征手段的开发，系统的研究高温高压下氨水合物分子的离子化相变及电输运性质。目前，课题组发表SCI论文25篇（其中以项目负责人为第一作者或通讯作者论文19篇），获批专利2项，省部级奖励3项；自主研发了或改进了包含可实现金刚石对顶砧压机（DAC）内固定比例气-液混合样品封装装置、变温高压原位稳态吸收、荧光和拉曼散射光谱、变温高压原位瞬态吸收和受激拉曼散射光谱等多种高压原位光谱实验测量系统、变温高压原位交流阻抗谱、霍尔效应及光电测量系统组成的极端条件物性表征平台一个。利用DAC加压，通过变温高压原位阻抗谱进行电学测量，结合高压原位同步辐射X光衍射光谱、高压原位拉曼散射光谱、高压原位红外吸收光谱测量技术，从多物理量在高压下的变化入手，从光学和电学测量两种角度对高温、高压下的氨-水二元体系进行物性表征，发现了氨水合物在温压条件下的一系列分子相-离子相-超离子相行为，并绘制了温压相图，特别是证实了AMH-VII是塑性相，ADH高压高温DMA相为超离子相。通过对与氨-水二元化合物导电特性相关的含氨材料、含水材料、烷烃材料和混合载流子材料的高压物性研究，为该项目顺利开展提供了有力的支撑。项目实施过程中更是开发了利用新的变温高压原位瞬态吸收光谱测量系统进行氨水二元体系的超快动力学研究方法后，使得从多物理量在高压下的变化入手，探索氨水冰压力依赖的离子相和超离子相的电输运性质与结构相变的关联机制，为理论工作者进行行星内部建模提供实验依据成为可能。