Νέος εξωτικός πάγος σε θερμοκρασία δωματίου: Ανακαλύφθηκε ο «πάγος XXI»
- Πώς δημιουργήθηκε ο πάγος XXI
- Τι κάνει τον πάγο XXI ξεχωριστό
- Πειραματική διαδικασία
- Προσομοιώσεις και μοντέλα νερού
- Πολλαπλές διαδρομές πήξης
Το νερό μπορεί να πάρει πάνω από 20 διαφορετικές μορφές πάγου, σύμφωνα με επιστήμονες που συνεχίζουν να ανακαλύπτουν νέες κρυσταλλικές φάσεις αυτού του απλού αλλά εξαιρετικά πολύπλοκου υλικού. Συνήθως θεωρούμε τον πάγο ως κάτι απλό, παγωμένο νερό. Όμως το νερό «μεταμφιέζεται». Με μόνο δύο άτομα, υδρογόνο και οξυγόνο, κάθε τύπος έχει τη δική του εσωτερική δομή. Ορισμένοι είναι οικείοι, όπως ο πάγος στο ψυγείο, ενώ άλλοι εμφανίζονται μόνο υπό ακραίες πιέσεις, όπως στο εσωτερικό της Γης ή σε μακρινούς πλανήτες.
Οι επιστήμονες μελετούν αυτές τις μορφές πάγου εδώ και πάνω από έναν αιώνα, όχι μόνο από περιέργεια, αλλά για να κατανοήσουν πώς συμπεριφέρεται το νερό σε ακραία περιβάλλοντα, ακόμη και σε κόσμους όπου θα μπορούσε να υπάρχει εξωγήινη ζωή. Ερευνητές από το Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) ανακάλυψαν τώρα μια εντελώς νέα μορφή πάγου: τον πάγο XXI, που δεν μοιάζει με καμία από τις γνωστές 20+ μορφές.
Πώς δημιουργήθηκε ο πάγος XXI
Χρησιμοποιώντας ένα ισχυρό σύστημα που συνδυάζει διαμάντινες άκμονες και ακτίνες Χ λέιζερ, οι επιστήμονες παρατήρησαν πώς συμπεριφέρεται το νερό υπό υπερ-συμπίεση σε θερμοκρασία δωματίου.
Παραδόξως, αντί να παγώνει σε ένα μόνο βήμα, το νερό πέρασε από πολλαπλούς κύκλους πήξης–τήξης μέσα στη ζώνη πίεσης όπου συνήθως σχηματίζεται ο πάγος VI. Εκεί εμφανίστηκε ο πάγος XXI.
Τι κάνει τον πάγο XXI ξεχωριστό
Ο πάγος XXI έχει μοναδική ατομική δομή, διαφορετική από όλες τις γνωστές μορφές πάγου. Είναι επίσης μετασταθής, δηλαδή μπορεί να παραμένει για λίγο σε κατάσταση που δεν είναι απόλυτα σταθερή, προσφέροντας ένα «παράθυρο» για τη μελέτη του σχηματισμού του πάγου υπό πίεση.
«Η ταχεία συμπίεση του νερού του επιτρέπει να παραμένει υγρό σε υψηλότερες πιέσεις, όπου κανονικά θα είχε ήδη κρυσταλλωθεί σε πάγο VI», εξηγεί ο επιστήμονας Geun Woo Lee από το KRISS.
Πειραματική διαδικασία
Οι επιστήμονες δημιούργησαν συνθήκες υψηλής πίεσης χρησιμοποιώντας διαμαντένιες κυψέλες άκμονα. Τοποθέτησαν εξαιρετικά καθαρό νερό σε έναν λεπτό μεταλλικό θάλαμο και το παρατήρησαν με κάμερες υψηλής ταχύτητας, αισθητήρες λέιζερ και εργαλεία σε πραγματικό χρόνο. Με παλμούς πίεσης προς τα πάνω και κάτω, κατέγραψαν τη μετάβαση του νερού, παρακολουθώντας αλλαγές στη δομή, την πίεση και τον όγκο με μεγάλη ακρίβεια. Μικροί κρύσταλλοι ρουβινίου χρησιμοποιήθηκαν για τη μέτρηση της πίεσης, ενώ η φασματοσκοπία Raman αποκάλυψε τις κινήσεις των μορίων.
Για την ανίχνευση της στιγμής μετασχηματισμού, χρησιμοποιήθηκαν ισχυρές δέσμες ακτίνων Χ από σύγχρονο synchrotron. Τα δεδομένα συλλέχθηκαν από ανιχνευτές υψηλής ακρίβειας και αναλύθηκαν με το πρόγραμμα DIOPTAS. Η πίεση μεταβαλλόταν με ασύμμετρο τριγωνικό μοτίβο για καλύτερη προσομοίωση της διαδικασίας πήξης. Δύο τύποι ανιχνευτών κατέγραφαν ταυτόχρονα τα δεδομένα, ο ένας με εξαιρετικά υψηλή ταχύτητα 0,56 εκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο και ο άλλος 10 φορές το δευτερόλεπτο.
Προσομοιώσεις και μοντέλα νερού
Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής με δύο μοντέλα: SPCfw45 και TIP4P/Ice. Το TIP4P/Ice είναι ένα «άκαμπτο» μοντέλο νερού, με σταθερές γωνίες και δεσμούς, κατάλληλο για υψηλές πιέσεις. Αντίθετα, το SPCfw είναι πιο «ευέλικτο», επιτρέποντας παραμορφώσεις στα μόρια του νερού.
Παρότι διαφορετικά, και τα δύο μοντέλα έδειξαν παρόμοιες τάσεις και συμφώνησαν με τα πειραματικά αποτελέσματα.
Πολλαπλές διαδρομές πήξης
Σε πειράματα με ακτίνες Χ XFEL, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι το νερό δεν ακολουθεί μία μόνο διαδρομή κατά την πήξη, αλλά τουλάχιστον πέντε διαφορετικές, ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου.
«Με τους μοναδικούς παλμούς ακτίνων Χ του European XFEL, αποκαλύψαμε πολλαπλές κρυσταλλοποιήσεις στο H₂O», ανέφερε ο Geun Woo Lee. Η ερευνήτρια Rachel Husband πρόσθεσε ότι τα ευρήματα δείχνουν πως μπορεί να υπάρχουν περισσότερες μετασταθείς φάσεις πάγου σε υψηλές θερμοκρασίες και διαφορετικές μεταβάσεις, κάτι που ίσως βοηθήσει στην κατανόηση της σύστασης των παγωμένων φεγγαριών.
