بازسازی شکل بسیار عجیبی از یخ که در دمای چندهزار درجه تشکیل میشود
پژوهشگران در آزمایشهایی با فشار ۲۳۰ گیگاپاسکال و دمای ۲۶۳۰ کلوین، ساختاری از یخ را شناسایی کردهاند که احتمالاً در اعماق اورانوس و نپتون وجود دارد.
به گزارش سایت دیدبان ایران، آب یکی از بنیادیترین و در عینحال عجیبترین مواد جهان است و ویژگیهای منحصربهفردش برای حیات ضروریاند. آب حتی در حالت مایع نیز رفتار متفاوتی با بسیاری از مایعات دارد؛ برای مثال، با یخزدن چگالیاش کاهش مییابد و نقطه جوش بالایی دارد.
اکنون دانشمندان در پژوهشی تازه نوعی یخ اَبَریونی با ساختاری متفاوت را در شرایط بسیار غیرعادی مشاهده کردهاند؛ کشفی که میتواند به درک بهتر ساختار درونی اورانوس و نپتون و منشأ میدانهای مغناطیسی عجیب آنها کمک کند.
پژوهشگران آب را در آزمایشگاه تا فشار ۲٫۳ میلیون اتمسفر و دمای ۲۶۳۰ کلوین تحت فشار و گرما قرار دادند؛ شرایطی که در حالت عادی باید آب را به گاز تبدیل کند، اما فشارهای عظیم میتوانند رفتار آن را به شکل غیرمنتظرهای تغییر دهند.
آب هنگام گذار از حالت مایع به گاز یا بخار، منبسط میشود؛ اما فشارهای خردکننده در حد میلیونها اتمسفر مانع انبساط میشوند. آب در چنین شرایطی میتواند چگالی فوقالعاده زیادی داشته باشد و شکلهایی عجیب ایجاد کند که با هیچیک از انواع یخهای روی سطح زمین شباهت ندارند.
یخ ابریونی یکی از این شکلهای عجیب است؛ حالتی از ماده که نه کاملاً جامد و نه کاملاً مایع محسوب میشود. اتمهای اکسیژن در یخ ابریونی در جای خود و درون شبکهای بلوری و سخت باقی میمانند، درست مانند حالت جامد. هستههای هیدروژن در مقابل میتوانند درون این شبکه حرکت کنند و رفتاری شبیه ذرات مایع داشته باشند.
یخ ابریونی حالتی از ماده است که نه کاملاً جامد و نه کاملاً مایع محسوب میشود
تغییر شرایط میتواند آرایش اتمهای اکسیژن را نیز تغییر دهد و پیکربندیهای متفاوتی ایجاد کند که دانشمندان آنها را «فاز» مینامند. دانشمندان تاکنون حدود ۲۰ فاز مختلف از یخآب را شناختهاند و برخی از این فازها در شرایط بسیار شدید به حالت ابریونی درمیآیند. جستوجو برای یافتن فازهای جدید همچنان ادامه دارد.
اهمیت یخ ابریونی فقط به عجیببودن آن محدود نمیشود. دانشمندان احتمال میدهند این ماده در اعماق اورانوس و نپتون وجود داشته باشد و ویژگیهای غیرمعمول آن در ایجاد میدانهای مغناطیسی غیرعادی این دو سیاره نقش داشته باشد.
بهگزارش ساینسآلرت، گروهی از پژوهشگران به سرپرستی الکسیس فورستیه، فیزیکدان کمیسیون انرژیهای جایگزین و انرژی اتمی فرانسه، در آزمایشهای جدید نمونههای بسیار کوچکی از آب را تحت شرایطی قرار دادند که انتظار میرود در سیارات غول یخی وجود داشته باشد.
پژوهشگران نمونهها را بین رأس الماس فشردند و فشار را تا ۲۳۰ گیگاپاسکال افزایش دادند. لیزرها نیز همزمان نمونهها را تا دمای چندهزاردرجه گرم کردند. فشار ۲۳۰ گیگاپاسکال معادل ۲٫۳ میلیون برابر فشار جو زمین در سطح دریاست. فشار موجود در مرکز زمین برای مقایسه، حدود ۳۶۰ گیگاپاسکال است.
تابشی بسیار باریک از پرتو ایکس سینکروترون، به پژوهشگران امکان داد تا ساختار بلوری یخ و تغییراتش را بررسی کنند. بررسیها به ساختاری انجامید که دانشمندان پیشتر وجودش را از نظر تئوری پیشبینی کرده بودند، اما آزمایشها هنوز نتوانسته بودند آن را بهطور قطعی نشان دهند: یخی با ساختار «فشردهشده ششگوشه» (hcp). گرمکردن بلور hcp نشانههایی از رفتار ابریونی را نیز نشان داد؛ یعنی یخ در حدود ۱۷۰۰ کلوین وارد حالت ابریونی شده است.
ساختار hcp نام خود را از نحوهی آرایش اتمهای اکسیژن گرفته است. چیدن توپهای یکسان در چند لایه را تصور کنید؛ برای قرار دادن توپها با بیشترین فشردگی، میتوان لایهها را به روشهای مختلف روی یکدیگر قرار داد. یکی از شکلهای یخ ابریونی که پیشتر شناسایی شده، ساختاری مکعبی با وجوه مرکزپر یا fcc دارد.
اما لایههای اتمی در یخ hcp تازهشناساییشده ترتیب متفاوتی دارند. شواهد نشان میدهد جابهجایی موقعیت لایهها میتواند یکی از این ساختارها را به دیگری تبدیل کند. تغییر ساختار زمانی رخ میدهد که شرایط فشار و دما شدیدتر شوند.
آزمایش در فشار ۱۵۵ گیگاپاسکال و دمای ۲۰۰۰ کلوین، سیگنالی از ترکیب دو ساختار fcc و hcp نشان داد. افزایش فشار به ۱۹۷ گیگاپاسکال و دما به ۲۲۵۰ کلوین، سهم ساختار hcp را نسبت به fcc افزایش داد. رسیدن شرایط آزمایش به فشار ۲۱۹ گیگاپاسکال و دمای ۲۶۳۰ کلوین تقریباً تمام نشانههای fcc را از بین برد و ساختار hcp را به ساختار غالب تبدیل کرد.
پژوهشگران پس از بازبینی دادههای آزمایشی قدیمیتر، احتمال دیگری را نیز مطرح کردند: قلهای در الگوی پراش پرتو ایکس که در فشارهای بالاتر از ۱۳۰ گیگاپاسکال مشاهده شده بود و هویت نامشخصی داشت، احتمالاً یخ hcp بوده است. پژوهشگران در آزمایش قبلی متوجه این ارتباط نشده بودند.
نتایج آزمایش نشان میدهد فشارهای بالاتر از حدود ۲۰۰ گیگاپاسکال ممکن است ساختار hcp را به آرایش پایدارتر یخ ابریونی تبدیل کنند. تغییر ایجادشده در ظاهر کوچک است و در مقیاس اتمی رخ میدهد، اما میتواند پیامدهای بزرگی برای منظومه شمسی داشته باشد.
تفاوت رسانایی الکتریکی یخ hcp و fcc نیز اهمیت زیادی دارد. وجود یخ hcp در اعماق اورانوس و نپتون میتواند مدلهای مربوط به حرکت ماده و بار الکتریکی درون این سیارات را تغییر دهد؛ دانشمندان فرایند مذکور را از عوامل مؤثر در ایجاد میدانهای مغناطیسی عجیب، نامنظم و نامتقارن این دو سیاره میدانند.
اگرچه آب مادهای واقعاً عجیب است، یخ ابریونی حتی عجیبتر به نظر میرسد. دانشمندان هنوز بخش اندکی از قابلیتهای این مولکول شگفتانگیز را شناختهاند. اما ویژگیهای دقیق یخ hcp هنوز مشخص نیست. این ماده هنوز تازگی دارد و پژوهشگران برای شناخت بهتر، به مطالعات نظری بیشتری نیاز دارند؛ بهویژه بررسی شکلپذیری مکانیکی و رسانایی الکتریکی یخ hcp. آزمایشهای بیشتر نیز باید محدودهی دقیق پایداری یخ hcp را در شرایط مختلف فشار و دما مشخص کنند و نشان دهند این ساختار در چه شرایطی نسبت به همتای fcc خود پایدارتر است.
یافتههای پژوهش در نشریهی Physical Review Letters منتشر شده است.