بازسازی نوعی یخ عجیب در دماهای چند هزار درجه!

کد خبر: ۹۳۹۳۵۹
تاریخ انتشار: ۴۱ : ۱۵ – ۲۳ شهریور ۱۴۰۵

پژوهشگران در آزمایش‌هایی با فشار ۲۳۰ گیگاپاسکال و دمای ۲۶۳۰ کلوین، نوعی ساختار جدید از یخ را شناسایی کرده‌اند که به احتمال زیاد در اعماق سیارات اورانوس و نپتون وجود دارد. به گزارش انتخاب، آب یکی از اصلی‌ترین و در عین حال عجیب‌ترین مواد در جهان است و ویژگی‌های خاص آن برای حیات ضروری می‌باشد. این ماده حتی در حالت مایع نیز رفتار متفاوتی نسبت به دیگر مایعات دارد؛ به عنوان مثال، هنگام یخ زدن چگالی آن کاهش می‌یابد و دارای نقطه جوش بالایی است. اکنون دانشمندان در یک پژوهش جدید نوعی یخ اَبَر‌یونی با ساختاری متفاوت را در شرایط غیرعادی مشاهده کرده‌اند که می‌تواند به درک بهتر ساختار درونی اورانوس و نپتون و منشأ میدان‌های مغناطیسی غیرمعمول آن‌ها کمک کند.

پژوهشگران آب را در آزمایشگاه تحت فشار ۲٫۳ میلیون اتمسفر و دمای ۲۶۳۰ کلوین قرار دادند؛ شرایطی که در حالت عادی باید آب را به گاز تبدیل کند، اما فشارهای بسیار بالا می‌توانند رفتار آن را به طرز غیرمنتظره‌ای تغییر دهند. یخ ابر‌یونی چیست؟ آب هنگام تبدیل از حالت مایع به گاز منبسط می‌شود؛ اما فشارهای بسیار بالا در حد میلیون‌ها اتمسفر مانع از این انبساط می‌شوند. در چنین شرایطی، آب می‌تواند چگالی فوق‌العاده بالایی داشته باشد و اشکالی عجیب ایجاد کند که با هیچ یک از انواع یخ‌های موجود در سطح زمین مشابهت ندارند. یخ ابر‌یونی یکی از این اشکال عجیب است؛ حالتی از ماده که نه کاملاً جامد و نه کاملاً مایع محسوب می‌شود. اتم‌های اکسیژن در یخ ابر‌یونی درون یک شبکه بلوری و سخت باقی می‌مانند، در حالی که هسته‌های هیدروژن می‌توانند در این شبکه حرکت کنند و رفتاری شبیه ذرات مایع داشته باشند. تغییر شرایط می‌تواند آرایش اتم‌های اکسیژن را تغییر دهد و پیکربندی‌های متفاوتی ایجاد کند که دانشمندان آن‌ها را «فاز» می‌نامند. تاکنون حدود ۲۰ فاز مختلف از یخ‌آب شناسایی شده است و برخی از این فازها در شرایط بسیار شدید به حالت ابر‌یونی درمی‌آیند. جست‌وجو برای یافتن فازهای جدید همچنان ادامه دارد.

اهمیت یخ ابر‌یونی تنها به عجیب بودن آن محدود نمی‌شود. دانشمندان بر این باورند که این ماده در اعماق اورانوس و نپتون وجود دارد و ویژگی‌های غیرمعمول آن در ایجاد میدان‌های مغناطیسی غیرعادی این دو سیاره نقش دارد. به گزارش انتخاب، 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. آن‌ها نمونه‌ها را بین رأس الماس فشردند و فشار را تا ۲۳۰ گیگاپاسکال افزایش دادند. لیزرها نیز به طور همزمان نمونه‌ها را تا دمای چند هزار درجه گرم کردند. فشار ۲۳۰ گیگاپاسکال معادل ۲٫۳ میلیون برابر فشار جو زمین در سطح دریاست. برای مقایسه، فشار موجود در مرکز زمین حدود ۳۶۰ گیگاپاسکال است. تابش بسیار باریک پرتو ایکس سینکروترون به پژوهشگران این امکان را داد تا ساختار بلوری یخ و تغییرات آن را بررسی کنند. بررسی‌ها به ساختاری منجر شد که دانشمندان پیش‌تر وجود آن را به صورت تئوری پیش‌بینی کرده بودند، اما آزمایش‌ها هنوز نتوانسته بودند آن را به طور 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 نحوه آرایش اتم‌های اکسیژن گرفته است. تصور کنید که توپ‌های یکسان را در چند لایه قرار می‌دهید؛ برای قرار دادن توپ‌ها با بیشترین فشردگی، می‌توان لایه‌ها را به روش‌های مختلف روی یکدیگر قرار داد. یکی از اشکال 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 که 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.

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؛ به ویژه بررسی شکل‌پذیری مکانیکی و رسانایی الکتریکی یخ hcp. آزمایش‌های بیشتر نیز باید محدوده 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.