ایجاد یخ در دمای بیش از ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد!

آب یکی از رایج‌ترین و ضروری‌ترین مواد در دنیای بشر است. ما به معنای واقعی کلمه نمی‌توانیم بدون خواص آن به عنوان یک حلال عمل کنیم. آب از آسمان نازل می‌شود. ما در آن حمام می‌کنیم، آن را می‌نوشیم و برای تفریح، خود را در آن غوطه‌ور می‌کنیم، اما اگر فقط به عنوان یک مایع در نظر گرفته شود، بسیار عجیب است و رفتاری کاملاً متفاوت با سایر مایعات دارد.

برای مثال، وقتی یخ می‌زند، چگالی آن کاهش می‌یابد. کشش سطحی آن به طرز عجیبی بالاست، نقطه جوش آن نیز همینطور است و بر اساس وزن مولکولی آن، باید در دمای اتاق به صورت گاز باشد.

به گزارش ایسنا، همه اینها در شرایط عادی و محیطی زمین است، اما وقتی فشار و دما را چند درجه تغییر دهید، رفتار عجیب آب حتی از کنترل خارج می‌شود.

دانشمندان اکنون یکی از عجیب‌ترین اشکال یخ تاکنون را نشان داده‌اند که تحت فشارهای نامعقول تا ۲.۳ میلیون اتمسفر و دمای فوق‌العاده تا ۲۳۵۷ درجه سانتیگراد ایجاد می‌شود.

در این دماها معمولاً انتظار می‌رود که آب به طور قطعی یک گاز باشد و حتی تا حدی به اتم‌های اکسیژن و هیدروژن تشکیل‌دهنده‌اش تجزیه شود، اما اتفاق جالبی در فشارهای نجومی که در اعماق سیارات یافت می‌شود، رخ می‌دهد.

وقتی آب از مایع به گاز یا بخار تبدیل می‌شود، منبسط می‌شود و تحت فشارهای خردکننده میلیون‌ها اتمسفر، این انبساط متوقف می‌شود. در عوض، آب می‌تواند فوق‌العاده متراکم باقی بماند و اشکال عجیب و غریبی به خود بگیرد که با هر یخی که در سطح زمین با آن مواجه می‌شویم، متفاوت است.

یکی از این‌ها «یخ سوپریونی» است؛ حالت بسیار عجیبی از ماده که نه کاملاً جامد است و نه کاملاً مایع. اتم‌های اکسیژن آن در یک شبکه کریستالی سفت و سخت ثابت می‌مانند، همانطور که در یک جامد قرار دارند، اما هسته‌های هیدروژن متحرک هستند و بیشتر شبیه به ذرات در مایع، از طریق آن شبکه پخش می‌شوند.

در شرایط کمی متفاوت، چیدمان اتم‌های اکسیژن به پیکربندی‌های مختلفی که به عنوان فاز شناخته می‌شوند، تغییر می‌کند. حدود بیست و چند فاز شناخته شده از یخ‌آب وجود دارد که تعدادی از آنها در شرایط سخت به حالت سوپریونی تبدیل می‌شوند. دانشمندان همیشه به دنبال موارد بیشتر هستند.

تصور می‌شود یخ سوپریونی در اعماق اورانوس و نپتون نیز وجود دارد؛ جایی که خواص غیرمعمول آن ممکن است در تولید میدان‌های مغناطیسی به همان اندازه غیرمعمول سیارات نقش داشته باشد.

تیمی به رهبری فیزیکدان الکسیس فورستیه(Alexis Forestier) از کمیسیون انرژی‌های جایگزین و انرژی اتمی فرانسه در آزمایش‌های جدید خود، نمونه‌های کوچکی از آب را در معرض انواع شرایط شدید مورد انتظار در فضای داخلی سیارات غول‌پیکر یخی قرار داد.

آنها نمونه‌ها را بین نوک الماس‌ها تا فشارهایی تا ۲۳۰ گیگاپاسکال فشرده کردند، در حالی که از لیزر برای گرم کردن آنها تا هزاران درجه استفاده کردند. این مقدار ۲.۳ میلیون برابر فشار اتمسفر زمین در سطح دریا است. برای درک بهتر، فشار در مرکز زمین حدود ۳۶۰ گیگاپاسکال است.

محققان سپس با استفاده از یک پرتو بسیار باریک از پرتو ایکس سینکروترون، تغییرات در ساختار کریستالی یخ را بررسی کردند.

آنچه پدیدار شد، پیکربندی‌ای بود که از نظر تئوری پیش‌بینی شده بود، اما هرگز به طور واضح در آزمایش‌ها مشاهده نشده بود؛ یک یخ شش‌ضلعی فشرده یا hcp که با گرم شدن کریستال hcp، انبساط آن نیز نشانه‌ای از رفتار فرایونی را نشان داد که نشان می‌دهد در دمای حدود ۱۴۳۰ درجه سانتیگراد وارد حالت فرایونی شده است.

این نام به چیدمان اتم‌های اکسیژن اشاره دارد. تصور ک3نید که توپ‌هایی یکسان را به صورت لایه لایه قرار می‌دهید. روش‌های مختلفی برای چیدن این لایه‌ها وجود دارد، در حالی که توپ‌ها تا حد امکان محکم کنار هم قرار می‌گیرند.

یکی از اشکال یخ فرایونی که قبلاً شناسایی شده است، ساختار مکعبی با وجوه مرکزدار یا fcc است. در یخ تازه شناسایی شده hcp، لایه‌ها به ترتیب متفاوتی روی هم قرار گرفته‌اند. محققان شواهدی یافتند که نشان می‌دهد با تغییر موقعیت لایه‌ها، یکی می‌تواند به دیگری تبدیل شود. به نظر می‌رسد این تبدیل با تشدید شرایط رخ می‌دهد.

در فشار و دمای ۱۵۵ گیگاپاسکال و ۲۰۰۰ کلوین، سیگنال مشاهده شده از کاوشگر پرتو ایکس ترکیبی از fcc و hcp بود و با افزایش فشار و دما تا ۱۹۷ گیگاپاسکال و ۲۲۵۰ کلوین، اثر hcp نسبت به fcc قوی‌تر شد.

در آخرین آزمایش با فشار و دمای ۲۱۹ گیگاپاسکال و ۲۶۳۰ کلوین، اثر fcc تقریباً ناپدید شده بود و hcp به وضوح غالب بود.

جالب اینجاست که این اولین باری نبود که محققان یخ hcp تولید می‌کردند. آنها با نگاهی به داده‌های آزمایش قبلی متوجه شدند که یک اوج پراش پرتو ایکس که قبلاً شناسایی نشده بود و در فشار بالای ۱۳۰ گیگاپاسکال مشاهده شده بود، احتمالاً نشانه‌ای از یخ hcp است که در آن زمان آن را تشخیص نداده بودند.

نتایج آنها نشان می‌دهد که در فشارهای بالای حدود ۲۰۰ گیگاپاسکال، hcp ممکن است به آرایش پایدارتری از یخ فرایونی تبدیل شود.

به نظر می‌رسد تغییر نسبتاً کوچکی باشد و به معنای واقعی کلمه در مقیاس اتمی رخ می‌دهد، اما این تفاوت می‌تواند به معنای چیزهای بزرگی برای منظومه شمسی باشد.

اگر یخ hcp الکتریسیته را به طور متفاوتی از یخ fcc هدایت کند، وجود آن در اعماق اورانوس و نپتون می‌تواند مدل‌های چگونگی حرکت مواد و بار الکتریکی در داخل آنها را تغییر دهد؛ فرآیندهایی که تصور می‌شود در تولید میدان‌های مغناطیسی عجیب، نامرتب و نامتقارن این سیارات نقش دارند.

با این حال، ما هنوز در مورد خواص یخ hcp چیزی نمی‌دانیم. این ماده تازه کشف شده است. محققان خواستار کارهای نظری بیشتری برای بررسی این خواص، به ویژه انعطاف‌پذیری مکانیکی و رسانایی الکتریکی آن هستند.

همچنین آزمایش‌های بیشتری برای تعیین دقیق اینکه یخ hcp در میان فشارهای شدید و دما در کجا نسبت به همتای fcc خود پایدار است، مورد نیاز خواهد بود.

آب واقعاً عجیب است و یخ سوپریونی حتی عجیب‌تر است و دانشمندان تازه سطح آنچه این مولکول عجیب می‌تواند انجام دهد را کشف کرده‌اند.

این یافته‌ها در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.

سوسیس بندری تند و خوشمزه برای یک وعده دلچسب

بیشتر بخوانید:

آیا می‌دانستید آب میتواند همزمان بجوشد و یخ بزند! (فیلم)

تماشاخانه

فیلترینگ را بردارید ؛ این تنها راه نجات امنیت شبکه است

حرکت ماشین‌ها شبیه قایق موتوری / سرازیر شدن آب از سقف خانه‌ها / خطر در کمین شهرهای مرکزی ایران

فیلم های دیگر