دانشمندان شکل جدیدی از یخ را در دمای بیش از 2000 درجه سانتی گراد ساختند
به گزارش مجله چایی، آب در شمار ضروری ترین و در عین حال نامتعارف ترین مواد دنیا است. حیات ما بدون ویژگی های این حلال تقریباً همه کاره پیش نمی رود، اما آنالیز رفتار فیزیکی آب نشان می دهد که از قوانین معمول سایر مایعات پیروی نمی نماید. آب هنگام انجماد چگالی کمتری پیدا می نماید، کشش سطحی نامعمولی دارد و نقطه جوش آن بسیار فراتر از حد انتظار برای مولکولی با این جرم است. این رفتارهای نامتعارف در شرایط عادی سطح زمین رخ می دهند، اما با دستکاری فشار و دما اوضاع پیچیده تر می گردد. فیزیکدانان با اعمال فشارهای سنگین تا 2.3 میلیون برابر فشار جو زمین و رساندن دما به 2630 کلوین (2357 درجه سانتی گراد)، شکل جدیدی از یخ را پدید آورده اند که در چنین حرارت سوزانی ساختار خود را حفظ می نماید.
یخ سوپریونی؛ فراتر از جامد و مایع
در دمای چند هزار درجه، آب در شرایط عادی باید به گاز تبدیل گردد یا حتی اتم های هیدروژن و اکسیژن آن از هم بگسلند، اما فشار خردکننده اعماق سیارات مانع از انبساط حجم آن می گردد و ماده را در حالتی متراکم نگه می دارد. در این شرایط، حالتی از ماده موسوم به یخ سوپریونی (Superionic ice) پدید می آید که نه جامد کامل است و نه مایع. اتم های اکسیژن در یک شبکه بلوری سخت قفل می شوند، در حالی که هسته های هیدروژن آزادانه درون این شبکه مانند ذرات مایع جریان دارند. آب در شرایط گوناگون بیش از بیست فاز بلوری مختلف تشکیل می دهد که بعضی از آن ها به حالت سوپریونی نزدیک هستند. این نوع ماده در اعماق اورانوس (Uranus) و نپتون (Neptune) احتمالا وجود دارد و در ایجاد میدان های مغناطیسی نامنظم و کج این دو سیاره نقش بازی می نماید.
کشف فاز تازه در آزمایشگاه
گروهی از فیزیکدانان به راهنمایی الکسیس فورستیه (Alexis Forestier) در کمیسیون انرژی های اتمی و جایگزین فرانسه، نمونه های بسیار کوچکی از آب را در شرایطی مشابه اعماق سیارات غول پیکر یخی آنالیز کردند. آن ها نمونه ها را بین دو سندان نوک تیز الماس تا فشار 230 گیگاپاسکال متراکم کردند و هم زمان با تابش لیزر دمای آب را تا چند هزار درجه بالا بردند. سپس با پرتو باریک اشعه ایکس سنکروترون (Synchrotron X-rays)، تغییرات ساختار بلوری را زیر نظر گرفتند. نتیجه این آزمایش، ثبت تجربی و قطعی ساختاری بود که پیش تر تنها در محاسبات نظری وجود داشت؛ یخ با ساختار هگزاگونال فشرده (hcp). با افزایش دمای این بلور تا حدود 1700 کلوین، نشانه های رفتار سوپرایونی در آن آشکار شد.
جزئیات تغییر فاز در یخ
آرایش اتم های اکسیژن ماهیت فازهای یخ را معین می نماید. پیش از این، شکلی از یخ سوپریونی با ساختار مکعبی وجوه مرکز (fcc) شناخته شده بود، اما در ساختار تازه hcp لایه های بلور با ترتیبی متفاوت چیده شده اند. مشاهدات تجربی نشان دادند که با افزایش فشار و حرارت، لایه های اتمی جابه جا می شوند و فاز fcc جای خود را به فاز hcp می دهد. در فشار 155 گیگاپاسکال و دمای 2000 کلوین، سیگنال اشعه ایکس ترکیبی از هر دو ساختار بود، اما در فشار 219 گیگاپاسکال و دمای 2630 کلوین، نشانه های ساختار fcc تقریباً ناپدید شد و ساختار hcp حاکم شد. پژوهشگران در بازبینی داده های قدیمی متوجه شدند قله های ناشناخته پراش اشعه ایکس در فشارهای بالاتر از 130 گیگاپاسکال، در اصل متعلق به همین فاز hcp بوده اند که در آن مقطع شناسایی نشده بود.
تأثیر این کشف بر شناخت سیارات
تفاوت در رسانایی الکتریکی میان فاز hcp و fcc مدل های فیزیکی درباره نحوه انتقال بار و حرکت ماده در اعماق اورانوس و نپتون را دگرگون می نماید. این سازوکارها محرک اصلی شکل گیری میدان های مغناطیسی ناهمگون در این سیارات به شمار می آیند. از آنجا که این ماده به تازگی شناسایی شده، ویژگی های مکانیکی، انعطاف پذیری و رسانایی الکتریکی آن احتیاج به تحلیل های دقیق تری دارد. آزمایش های تکمیلی و مدل سازی های نظری معین خواهند کرد که در چه دامنه ای از دما و فشار، فاز hcp نسبت به همتای خود پایداری بیشتری نشان می دهد.
سوءبرداشت ها درباره شرایط آب
تصور رایج این است که آب تنها در دمای زیر صفر یخ می زند و در حرارت بالای 2000 درجه سانتی گراد حتماً به بخار تبدیل می گردد. این قاعده صرفاً در فشارهای سطحی زمین اعتبار دارد. در شرایط حدی فیزیک، مرزهای مرسوم میان حالات ماده جابه جا می شوند و آب می تواند در دمایی مشابه دمای مواد مذاب، ساختاری صلب و بلوری داشته باشد. این دستاورد نشان می دهد که شناخت ما از قابلیت های این مولکول حیاتی هنوز کامل نیست.
مقایسه با فشارهای هسته زمین
فشار 230 گیگاپاسکالی که در این آزمایش فراوری شد، معادل 2.3 میلیون برابر فشار جو زمین در سطح دریاست. این عدد هرچند بسیار بزرگ است، اما در مقایسه با فشار 360 گیگاپاسکالی مرکز زمین در رده پایین تری قرار می گیرد. فراوری چنین فشاری در محیط آزمایشگاه نشان دهنده پیشرفت چشمگیر ابزارهای تجربی برای بازسازی شرایط داخل سیارات است.
چالش های فنی در آزمایشگاه های فشار بالا
دستیابی به چنین شرایطی تنها با استفاده از سلول سندان الماس (Diamond anvil cell) امکان پذیر است، زیرا الماس به عنوان سخت ترین ماده طبیعی می تواند نیرویی بزرگ را روی سطحی میکروسکوپی متمرکز کند. چالش اساسی این روش، پایدار نگه داشتن هم زمان دما و فشار در بازه زمانی لازم برای ثبت دقیق الگوی اتمی با پرتو ایکس است؛ چرا که کوچک ترین نوسان می تواند باعث متلاشی شدن نمونه یا شکستن الماس ها گردد.
منبع: Physical Review Letters
پیشنهاد اختصاصی سردبیر (علیرضا مجیدی)
این مقاله مجذوب کننده و جالب بود؟! پس برای خواندن این نوشته های مرتبط کلیک کنید:
- آیفون دوئو Duo معرفی گردید؛ ورود دیرهنگام اما حساب شده اپل به دنیای گوشی های تاشو
- دانشمندان از ارتباط غافلگیرکننده روده با آسم کشنده پرده برداشتند
- کشف تازه پژوهشگران؛ فضولات انسانی مقاومت بتن را 42 درصد افزایش می دهد!
- سازمان ملل به خاتمه سلطه 500 ساله نقشه مرکاتور و نمایش میزان واقعی قاره ها رای داد
- داستان زندگی هانری دونان و شکل گیری سازمان صلیب سرخ
- متا برای نگهداری مراکز داده سراغ ربات ها می رود؛ خط بطلان بر وعده اشتغال زایی دیتاسنترها