بازسازی شکل بسیار عجیبی از یخ که در دمای چند هزار درجه تشکیل میشود
زومیت: در آزمایش هایی با فشار 230 گیگا پاسکال و دمای 2630 کلوین، محققان ساختاری از یخ را شناسایی کرده اند که احتمالاً در اعماق اورانوس و نپتون وجود دارد.
آب یکی از اساسی ترین و در عین حال عجیب ترین مواد موجود در جهان است و خواص منحصر به فرد آن برای حیات ضروری است. حتی در حالت مایع خود، آب رفتار متفاوتی با بسیاری از مایعات دیگر دارد. مثلا با یخ زدن از چگالی آن کاسته می شود و نقطه جوش بالایی دارد.
اکنون در یک تحقیق جدید، دانشمندان نوعی از یخ هایپریون را با ساختاری متفاوت در شرایط بسیار غیرعادی مشاهده کرده اند. کشفی که می تواند به درک بهتر ساختار درونی اورانوس و نپتون و منشا میدان های مغناطیسی عجیب آنها کمک کند.
محققان آب را تحت فشار و حرارت در آزمایشگاه تا فشار 2.3 میلیون اتمسفر و دمای 2630 کلوین قرار دادند. شرایطی که معمولاً باید آب را به گاز تبدیل کند، اما فشارهای زیاد میتواند رفتار آن را به روشهای غیرمنتظرهای تغییر دهد.
یخ ابری چیست؟
آب هنگامی که از مایع به گاز یا بخار تبدیل می شود منبسط می شود. اما فشارهای خرد کننده میلیون ها اتمسفر مانع از انبساط می شود. آب در چنین شرایطی می تواند چگالی فوق العاده بالایی داشته باشد و اشکال عجیبی ایجاد کند که شبیه هیچ یک از انواع یخ های سطح زمین نیست.
یخ ابر یکی از این اشکال عجیب است. حالتی از ماده که نه کاملاً جامد است و نه کاملاً مایع. اتم های اکسیژن در یخ فوق یونی در داخل یک شبکه کریستالی سفت و سخت در جای خود باقی می مانند، درست مانند حالت جامد. از سوی دیگر، هسته های هیدروژن می توانند در داخل این شبکه حرکت کنند و مانند ذرات مایع رفتار کنند.
تغییر شرایط همچنین می تواند آرایش اتم های اکسیژن را تغییر دهد و پیکربندی های مختلفی را ایجاد کند که دانشمندان آن را “فاز” می نامند. تاکنون دانشمندان حدود 20 فاز مختلف از یخ آب را شناخته اند و برخی از این فازها در شرایط شدید فوق یونیزه می شوند. جستجو برای مراحل جدید ادامه دارد.
اهمیت یخ ابری به عجیب بودن آن محدود نمی شود. دانشمندان معتقدند این ماده در اعماق اورانوس و نپتون وجود دارد و خواص غیرعادی آن در ایجاد میدان های مغناطیسی غیرعادی این دو سیاره نقش دارد.
به گزارش ScienceAlert، گروهی از محققان به رهبری الکسیس فارستیر، فیزیکدان کمیسیون انرژی جایگزین و انرژی اتمی فرانسه، نمونه های بسیار کوچکی از آب را در شرایطی که انتظار می رود در سیارات غول پیکر یخی در آزمایش های جدید وجود داشته باشد، قرار دادند.
محققان نمونه ها را بین نوک الماس فشار دادند و فشار را تا 230 گیگا پاسکال افزایش دادند. در همان زمان، لیزرها نیز نمونه ها را تا دمای چند هزار درجه گرم کردند. فشار 230 گیگا پاسکال معادل 2.3 میلیون برابر فشار جو زمین در سطح دریا است. برای مقایسه، فشار در مرکز زمین حدود 360 گیگا پاسکال است.
یک پرتو بسیار باریک از اشعه ایکس سنکروترون به محققان اجازه داد تا ساختار بلوری یخ و تغییرات آن را مطالعه کنند. این تحقیقات منجر به ساختاری شد که دانشمندان قبلاً پیشبینی کرده بودند که از نظر تئوری وجود دارد، اما آزمایشها هنوز به طور قطعی نشان نداده بودند: یخ با ساختار “فشرده شش ضلعی” (hcp). گرم کردن کریستال hcp نیز نشانه هایی از رفتار فوق یونی را نشان داد. این بدان معناست که یخ در حدود 1700 کلوین وارد حالت فوق یون شده است.
ساختار hcp نام خود را از آرایش اتم های اکسیژن گرفته است. تصور کنید که توپ های یکسان را در چند لایه روی هم چیده اید. لایهها را میتوان به روشهای مختلف روی هم قرار داد تا توپها را با حداکثر فشردهسازی قرار دهند. یکی از اشکال یخ ابری که قبلاً شناسایی شده بود، ساختار مکعبی یا fcc رو به مرکز دارد.
اما لایه های اتمی در یخ hcp تازه شناسایی شده آرایش متفاوتی دارند. شواهد نشان می دهد که تغییر موقعیت لایه ها می تواند یکی از این ساختارها را به دیگری تبدیل کند. تغییرات ساختاری زمانی رخ می دهد که شرایط فشار و دما شدیدتر شود.
آزمایش در فشار 155 گیگا پاسکال و دمای 2000 کلوین سیگنالی از ترکیب ساختارهای fcc و hcp را نشان داد. افزایش فشار به 197 گیگا پاسکال و دما تا 2250 کلوین، سهم ساختار hcp را در fcc افزایش داد. رسیدن به شرایط آزمایش تا فشار 219 گیگا پاسکال و دمای 2630 کلوین تقریباً تمام علائم fcc را از بین برد و ساختار hcp را به ساختار غالب تبدیل کرد.
پس از بررسی دادههای تجربی قدیمیتر، محققان احتمال دیگری را نیز مطرح کردند: یک اوج در الگوی پراش اشعه ایکس مشاهده شده در فشارهای بالای 130 گیگا پاسکال و هویت نامشخص ممکن است یخ hcp باشد. محققان در آزمایش قبلی متوجه این ارتباط نشدند.
اگرچه آب در واقع ماده عجیبی است، اما یخ فوق یونی عجیب تر به نظر می رسد. دانشمندان هنوز تنها بخش کوچکی از قابلیت های این مولکول شگفت انگیز را می دانند. اما خواص دقیق یخ hcp هنوز ناشناخته است. این مطالب هنوز جدید است و محققان برای درک بهتر به مطالعات نظری بیشتری نیاز دارند. به ویژه بررسی شکل پذیری مکانیکی و هدایت الکتریکی یخ hcp. آزمایشات بیشتر همچنین باید محدوده پایداری دقیق یخ hcp را در شرایط فشار و دمای مختلف تعیین کند و نشان دهد که در چه شرایطی این ساختار نسبت به همتای fcc خود پایدارتر است.
