Naučnici Skolteha i njihove kineske kolege utvrdili su uslove koji omogućavaju postojanje veoma neobičnog jona. Nazvan akvadijum, može se zamisliti kao običan neutralni molekul vode sa dva dodatna protona zalepljena za njega, što rezultira neto dvostrukim pozitivnim naelektrisanjem.
Tim sugeriše da bi jon mogao biti stabilan u unutrašnjosti ledenih divova Urana i Neptuna, i ako jeste, mora da igra ulogu u mehanizmu koji dovodi do neobičnih magnetnih polja ovih planeta. Studija je objavljena u Phisical Reviev B
Magnetna polja Urana i Neptuna se ne razumeju tako dobro kao ona Jupitera i Saturna — ili naše planete, što se toga tiče.
U unutrašnjosti Zemlje, cirkulacija elektronski provodljive tečne legure gvožđa i nikla proizvodi magnetizam. Duboko unutar Jupitera i Saturna, smatra se da je vodonik utisnut u metalno stanje i izaziva magnetna polja na skoro isti način.
Nasuprot tome, pretpostavlja se da magnetna polja Urana i Neptuna potiču iz cirkulacije jonski provodnih medija, gde su sastavni joni sami nosioci naelektrisanja, a ne samo potporna struktura koja omogućava protok elektrona.
Kada bi planetarni naučnici tačno znali koji joni i u kojim proporcijama su uključeni, možda bi mogli da shvate zašto su magnetosfere ledenih divova tako čudne: neusklađene sa smerom rotacije planeta i pomerene od njihovih fizičkih centara.
Profesor Školteha Artem R. Oganov, koji je koautor rada, objašnjava kako se jonska i elektronska provodljivost razlikuju i gde se novo predviđeni jon uklapa u ovo: „Vodonik koji okružuje Jupiterovo kamenito jezgro u tim uslovima je tečni metal: može da teče , način na koji teče rastopljeno gvožđe u unutrašnjosti Zemlje, a njegova električna provodljivost je posledica slobodnih elektrona koje dele svi atomi vodonika pritisnuti zajedno.
„U Uranu, mislimo da su sami vodonikovi joni—tj., protoni—slobodni nosioci naelektrisanja. Ne nužno kao samostalni H+ joni, ali možda u obliku hidronijuma H3O+, amonijuma NH4+ i niza drugi joni. Naša studija dodaje još jednu mogućnost, jon H 4 O 2+, što je izuzetno zanimljivo sa hemijske tačke gledišta.
U hemiji postoji pojam sp 3 hibridizacije, koji se odnosi na način na koji se orbitale elektrona kombinuju jedna sa drugom i predstavlja nešto poput prirodnog šablona za pravljenje verodostojnih molekula i jona. Pod sp 3 hibridizacijom, jezgro atoma – na primer ugljenik, azot ili kiseonik – zauzima centralnu tačku imaginarnog tetraedra.
Svaki od četiri vrha sadrži ili valentni elektron ili dva uparena elektrona koji nisu dostupni za stvaranje veza sa drugim atomima. Najjednostavniji primer bi bio atom ugljenika sa četiri nesparena elektrona na četiri vrha — dodajte četiri atoma vodonika i dobićete molekul metana: CH 4 .
Za atom kiseonika, koji ima dva sopstvena elektronska para u najudaljenijoj ljusci, zajedno sa dva valentna elektrona, sp 3 hibridizacija bi značila da bi samo dva vrha mogla da imaju kovalentnu vezu sa vodonikom, dok bi preostala dva bila zauzeta elektronskim parovima , što daje H2O, vodu.
Ako spojite jon vodonika (proton) na jedan od elektronskih parova, dobijate jon vodonika H 3 O + , a to je zapravo ono što dobijate u kiselom rastvoru, jer kiseline doniraju protone H + u rastvor i usamljene protoni se odmah privlače elektronskim parovima .
„Ali pitanje je bilo: možete li dodati još jedan proton hidronijum jonu da popuni deo koji nedostaje? Takva konfiguracija u normalnim uslovima je energetski veoma nepovoljna, ali naši proračuni pokazuju da postoje dve stvari koje mogu da dovedu do toga“, kaže Profesor Ksiao Dong sa kineskog univerziteta Nankai, čija originalna ideja leži u osnovi ovog istraživanja.
„Prvo, veoma visok pritisak primorava materiju da smanji svoju zapreminu, a deljenje prethodno neiskorišćenog elektronskog para kiseonika sa vodoničnim jonom (protonom) je uredan način da se to uradi: kao kovalentna veza sa vodonikom, osim oba elektrona u paru dolaze iz kiseonika. Drugo, potrebno vam je puno dostupnih protona, a to znači kiselo okruženje, jer to rade kiseline – one doniraju protone.
Tim je koristio napredne računarske alate da predvidi šta će se dogoditi sa fluorovodoničnom kiselinom i vodom u ekstremnim uslovima. Rezultat: S obzirom na pritisak od oko 1,5 miliona atmosfera i temperaturu od oko 3.000 stepeni Celzijusa, u simulaciji se pojavljuju dobro odvojeni joni akvadijuma H 4 O 2+.
Naučnici smatraju da njihov novootkriveni jon treba da igra važnu ulogu u ponašanju i svojstvima medija na bazi vode, posebno onih pod pritiskom i koji sadrže kiselinu.
Ovo otprilike odgovara uslovima na Uranu i Neptunu, gde izuzetno dubok tečni okean proizvodi izuzetno visoke pritiske i može se očekivati i određena količina kiseline. Ako je tako, formiraće se joni akvadijuma i učestvovaće u cirkulaciji okeana, doprineće magnetnim poljima i drugim svojstvima ovih planeta na način koji se razlikuje od drugih jona.
Možda bi akvadijum čak mogao da formira još nepoznate minerale u tim ekstremnim uslovima.
