یخی از دنیای دیگر؟ کشف یخ XXI در دل فشارهای نجومی

به گزارش پارسینه و به نقل از scitechdaily، ما معمولاً یخ را به شکل ساده‌اش می‌شناسیم: همان بلورهای شفاف و سردی که از آب منجمد ساخته شده‌اند. اما واقعیت این است که یخ می‌تواند بیش از ۲۰ شکل متفاوت داشته باشد—هرکدام با ساختار مولکولی خاص خود. این شکل‌ها با اعداد رومی نام‌گذاری شده‌اند: یخ I، یخ II، یخ III و حالا... یخ XXI.

در یک کشف هیجان‌انگیز، گروهی بین‌المللی از پژوهشگران به رهبری دانشمندان مؤسسه KRISS در کره جنوبی، موفق شدند فاز کاملاً جدیدی از یخ را شناسایی کنند: یخ XXI. آن‌ها با استفاده از تجهیزات پیشرفته پرتو ایکس در مراکز تحقیقاتی European XFEL و PETRA III، این ساختار ناشناخته را ثبت و تحلیل کردند. نتایج این پژوهش در نشریه Nature Materials منتشر شده است.

یخ XXI زمانی شکل می‌گیرد که آب مایع به‌سرعت تحت فشار بسیار بالا قرار بگیرد—در شرایطی که دانشمندان آن را "آب فوق‌فشرده" می‌نامند. این فاز ناپایدار است، یعنی می‌تواند برای مدتی باقی بماند، حتی اگر در همان شرایط، نوع دیگری از یخ پایدارتر باشد. این کشف، درک ما از رفتار آب در شرایط شدید را دگرگون می‌کند.

پیچیدگی در دل سادگی

آب، با وجود اینکه فقط از دو عنصر تشکیل شده (هیدروژن و اکسیژن)، در حالت جامد رفتاری بسیار پیچیده دارد. بیشتر فازهای یخ در دماهای پایین و فشارهای بالا دیده می‌شوند. تیم تحقیقاتی دریافته که با فشرده‌سازی سریع آب، می‌توان آن را تا فشارهای بالا به‌صورت مایع نگه داشت—جایی که معمولاً باید به یخ VI تبدیل شده باشد.

یخ VI یکی از فازهای عجیب یخ است که احتمالاً در اعماق قمرهای یخی مانند تایتان و گانیمد وجود دارد. ساختار پیچیده‌اش می‌تواند مسیرهای گذار جالبی به فازهای ناپایدار مانند یخ XXI ایجاد کند.

برای ایجاد چنین شرایطی، پژوهشگران از ابزاری به نام "سلول سندان الماسی" استفاده کردند. در این روش، نمونه آب بین دو الماس بسیار سخت قرار می‌گیرد تا فشاری معادل ۲ گیگاپاسکال (حدود ۲۰ هزار برابر فشار هوا) به آن وارد شود. در این فشار، حتی در دمای اتاق هم یخ تشکیل می‌شود—اما با ساختاری بسیار فشرده‌تر از یخ معمولی.

نگاهی به آینده

این کشف نه‌تنها درک ما از فیزیک آب را گسترش می‌دهد، بلکه می‌تواند به شناخت بهتر از ساختار درونی سیارات و قمرهای یخی کمک کند. یخ XXI شاید در دل توده‌های یخی دوردست، جایی در منظومه شمسی، حضوری پنهان داشته باشد.

کشف فازی تازه از یخ که نباید وجود داشته باشد—اما هست!

در یک دستاورد علمی تازه، تیمی بین‌المللی از پژوهشگران به رهبری دانشمندان مؤسسه تحقیقات استانداردهای علمی کره (KRISS)، موفق به کشف نوعی جدید از یخ شده‌اند که تاکنون ناشناخته بوده: یخ XXI. این ساختار تازه با استفاده از تجهیزات پیشرفته پرتو ایکس در مراکز European XFEL و PETRA III ثبت و تحلیل شده و نتایج آن در نشریه Nature Materials منتشر شده است.

یخ XXI با تمام شکل‌های شناخته‌شده‌ی یخ تفاوت دارد. این فاز زمانی شکل می‌گیرد که آب مایع در دمای اتاق تحت فشاری بسیار سریع و شدید قرار گیرد—شرایطی که دانشمندان آن را "آب فوق‌فشرده" می‌نامند. این فاز ناپایدار است، یعنی می‌تواند برای مدتی باقی بماند، حتی اگر در همان شرایط، نوع دیگری از یخ پایدارتر باشد. این کشف، درک ما از رفتار یخ در فشارهای شدید را گسترش می‌دهد.

پیچیدگی در دل سادگی

آب، با وجود اینکه تنها از دو عنصر تشکیل شده (H₂O)، در حالت جامد رفتاری بسیار پیچیده دارد. بیشتر فازهای یخ در دماهای پایین و فشارهای بالا دیده می‌شوند. تیم تحقیقاتی اکنون اطلاعات بیشتری درباره‌ی نحوه‌ی شکل‌گیری و تغییر فازهای مختلف یخ با فشار به‌دست آورده است.

دانشمند KRISS، گئون وو لی، توضیح می‌دهد:  

"فشرده‌سازی سریع آب باعث می‌شود تا در فشارهایی بالا همچنان مایع باقی بماند—جایی که باید به یخ VI تبدیل شده باشد."  

یخ VI یکی از فازهای جالب یخ است که احتمالاً در اعماق قمرهای یخی مانند تایتان و گانیمد وجود دارد. ساختار پیچیده‌اش ممکن است مسیرهای گذار خاصی به فازهای ناپایدار مانند یخ XXI ایجاد کند.

آزمایش در فشار بالا

از آن‌جا که بیشتر انواع یخ فقط در شرایط شدید شکل می‌گیرند، پژوهشگران از ابزاری به نام "سلول سندان الماسی" استفاده کردند. در این روش، نمونه آب بین دو الماس بسیار سخت قرار می‌گیرد تا فشاری معادل ۲ گیگاپاسکال (حدود ۲۰ هزار برابر فشار هوا) به آن وارد شود. این فشار باعث می‌شود یخ حتی در دمای اتاق تشکیل شود—اما با ساختاری بسیار فشرده‌تر از یخ معمولی.

برای مشاهده‌ی دقیق فرآیند شکل‌گیری یخ، پژوهشگران ابتدا در مدت ۱۰ میلی‌ثانیه فشار بالا ایجاد کردند، سپس در طول ۱ ثانیه آن را آزاد کردند و این چرخه را چندین بار تکرار نمودند. در این فرآیند، از پرتوهای فوق‌سریع و شدید پرتو ایکس در European XFEL استفاده شد تا از نمونه در هر میکروثانیه (یک میلیونم ثانیه) تصویربرداری شود—مثل یک دوربین فوق‌سریع که فیلمی از شکل‌گیری ساختار یخ تهیه می‌کند.

ساختار بلوری یخ XXI

با استفاده از خط پرتوی P02.2 در PETRA III، پژوهشگران دریافتند که یخ XXI دارای ساختار بلوری چهارگوش (تترگونال) است که از واحدهای تکرارشونده‌ی بزرگ‌تری نسبت به سایر انواع یخ تشکیل شده است.

گئون وو لی توضیح می‌دهد:  

"با استفاده از پالس‌های منحصربه‌فرد پرتو ایکس در European XFEL، توانستیم مسیرهای مختلف تبلور آب را کشف کنیم—آبی که بیش از هزار بار به‌صورت دینامیک فشرده و آزاد شده بود."  

کرنلیوس استروهم از تیم DESY HIBEF نیز می‌گوید:  

"در این سلول فشار ویژه، نمونه‌ها بین نوک دو سندان الماسی قرار می‌گیرند و می‌توان آن‌ها را در مسیر فشار مشخصی فشرده کرد."

لی اضافه می‌کند:  

"ساختاری که آب مایع در آن به یخ تبدیل می‌شود، به میزان فشردگی آن بستگی دارد. یافته‌های ما نشان می‌دهد که ممکن است فازهای ناپایدار بیشتری از یخ در دمای بالا وجود داشته باشند—و این می‌تواند سرنخ‌هایی درباره‌ی ترکیب قمرهای یخی ارائه دهد."  

راشل هازبند از تیم DESY HIBEF نیز تأکید می‌کند که این کشف می‌تواند درک ما از ساختار درونی قمرهای یخی را دگرگون کند.

آینده‌ی پژوهش‌های آبی

هر دو مرکز DESY و European XFEL تلاش‌های گسترده‌ای برای شناخت بهتر آب انجام می‌دهند:  

DESY از طریق مرکز مشترک علوم مولکولی آب، و European XFEL از طریق پروژه‌ی Water Call که این پژوهش نیز بخشی از آن بوده است.

ساکورا پاسکارلی، مدیر علمی European XFEL، می‌گوید:  

"دیدن چنین دستاوردی از پروژه‌ی Water Call فوق‌العاده است. این ابتکار از دانشمندان دعوت می‌کند تا مطالعات نوآورانه‌ای درباره‌ی آب ارائه دهند. بی‌صبرانه منتظر کشفیات هیجان‌انگیز بیشتری هستیم."