این «یخ» در تابستان هم آب نمی شود

به گزارش جریان آنلاین؛ یخ، حتی اگر تنها از مولکول‌های آب تشکیل شده باشد، در اشکال مختلفی وجود دارد. دانشمندان تاکنون بیش از ۲۰ ساختار جامد یا «فاز» منحصربه‌فرد از یخ را شناسایی کرده‌اند که هرکدام دارای آرایش مولکولی خاص خود هستند. لازم به ذکر است که انواع مختلف یخ با اعداد لاتین (مانند یخ I، یخ II، و یخ III) نام‌گذاری می‌شوند.
اکنون یک تیم بین‌المللی به رهبری دانشمندان مؤسسه تحقیقات استاندارد و علوم کره (KRISS)، یک فاز کاملاً جدید از یخ به نام یخ XXI را کشف کرده‌اند. این تیم با استفاده از تجهیزات پیشرفته اشعه ایکس در European XFEL و PETRA III، ساختار ناشناخته این یخ را ثبت و تجزیه‌وتحلیل کردند.
یخ XXI شبیه هیچ فرم دیگری از یخ که تاکنون مشاهده شده نیست. این یخ زمانی تشکیل می‌شود که آب مایع تحت فشردگی سریع قرار گیرد و درنتیجه عنصری را که دانشمندان آن را «آب فوق‌فشرده» می‌نامند، در دمای اتاق ایجاد می‌کند که این واکنش یک فاز نیمه‌پایدار (Metastable) است؛ به این معنی که این یخ در شرایطی می‌تواند سالم بماند که قاعدتاً نوع دیگری از یخ باید در همان شرایط پایدارتر باشد. این کشف، اطلاعات جدید و ارزشمندی را در مورد نحوه رفتار و دگرگونی یخ تحت‌فشار ارائه می‌دهد.

پیچیدگی عجیب یک مولکول ساده

آب یا H۲O، باوجوداینکه فقط از دو عنصر تشکیل شده، پیچیدگی قابل‌توجهی را در حالت‌جامد خود نشان می‌دهد. بیشتر فازهای یخ در فشارهای بالا و دماهای پایین مشاهده می‌شوند. این تیم تحقیقاتی اطلاعات مفصل‌تری در مورد چگونگی تشکیل و تغییر فازهای مختلف یخ از طرق اعمال فشار کسب کرده‌اند.
گون وو لی، دانشمند موسسه KRISS، توضیح می‌دهد که فشردگی سریع آب اجازه می‌دهد تا این ماده در فشارهای بالاتر همچنان مایع باقی بماند، درحالی‌که در آن فشارها قبلاً باید به یخ VI تبدیل شده باشد. یخ VI یک فاز به‌شدت جذاب است که دانشمندان گمان می‌کنند در فضای داخلی ماه‌های یخی مانند تیتان و گانیمد وجود داشته باشد. ساختار بسیار تحریف‌شده آن ممکن است مسیرهای گذار پیچیده‌ای را ایجاد کند که منجر به فازهای یخ نیمه‌پایدار می‌شوند.
به گزارش خبر آنلاین؛ ازآنجایی‌که بیشتر گونه‌های یخ فقط در شرایط بسیار سخت و تحت‌فشار زیاد وجود دارند، محققان شرایط فشار زیاد را با استفاده از سلول‌های سندان الماسی (Diamond Anvil Cells) ایجاد کردند. در این عملیات، آب بین دو الماس قرار داده می‌شود که به دلیل سختی آن‌ها می‌توان از آن‌ها برای ایجاد فشار بسیار زیاد استفاده کرد. آب تحت‌فشار تا 2 گیگاپاسکال موردبررسی قرار گرفت که حدود ۲۰.۰۰۰ برابر فشار هوای معمولی است. این فشار باعث می‌شود که یخ حتی در دمای اتاق نیز تشکیل شود، اما مولکول‌های آن بسیار متراکم‌تر از یخ معمولی در کنار هم قرار بگیرد.

در محفظه‌ای که در عکس فوق مشاهده می‌شود، یخ XXI با استفاده از سلول‌های سندان الماسی (Diamond Anvil Cells) تولید شده و سپس با استفاده از پالس‌های شدید و فوق‌کوتاه اشعه ایکس European XFEL مورد تجزیه‌وتحلیل قرار می‌گیرد.
برای مشاهده تشکیل یخ تحت شرایط فشار زیاد، محققان ابتدا فشار بالای 2 گیگاپاسکال را در عرض ۱۰ میلی‌ثانیه (یک میلی‌ثانیه یک‌هزارم ثانیه است) ایجاد کردند. سپس فشار سلول سندان را در یک بازه ۱ ثانیه‌ای آزاد کردند و این فرآیند را تکرار کردند. در طول این چرخه‌ها، تیم از فلاش‌های اشعه ایکس European XFEL استفاده کرد تا هر میکروثانیه (یک میلیونیم ثانیه) از نمونه عکس بگیرد. با نرخ فوق‌العاده بالای پالس‌های اشعه ایکس (که مانند یک دوربین با سرعت بالا عمل می‌کند)، دانشمندان توانستند فیلم‌هایی از نحوه تشکیل ساختار یخ به دست بیاورند.

سپس، محققان با استفاده از خط پرتو P۰۲.۲ در PETRA III، تعیین کردند که یخ XXI دارای یک ساختار بلوری تتراگونال است که از واحدهای تکراری و به‌طور شگفت‌انگیزی بزرگ به نام سلول‌های واحد (Unit Cells) ساخته شده است.

لی در ادامه توضیح می‌دهد که با استفاده از پالس‌های منحصربه‌فرد اشعه ایکس European XFEL، محققان توانسته‌اند مسیرهای تبلور متعددی را در آب (H۲O) کشف کنند. این مسیرها در پی بیش از ۱۰۰۰ بار فشرده‌سازی و آزاد کردن فشار توسط یک سلول سندان الماسی دینامیکی ایجادشده‌اند. کورنلیوس استروم از تیم DESY HIBEF که این تجهیزات را در European XFEL پیاده‌سازی کرده است، بیان می‌کند که در این سلول فشار، نمونه‌ها بین نوک دو سندان الماسی مقابل هم فشرده می‌شوند و می‌توان آن‌ها را در طول یک مسیر از پیش تعریف‌شده به‌شدت فشرده کرد.

لی همچنین اضافه کرد: ساختاری که آب مایع در آن متبلور می‌شود، به درجه فوق‌فشردگی مایع بستگی دارد. ریچل هاسبند از تیم DESY HIBEF نیز توضیح داد؛ یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد که احتمال وجود تعداد بیشتری از فازهای یخ نیمه‌پایدار در دمای بالا و مسیرهای گذار مرتبط با آن‌ها وجود دارد که به شکل بالقوه نگاه تازه‌ای در مورد ترکیب ماه‌های یخی ارائه می‌دهد.

هر دو مرکز DESY از طریق همکاری با مرکز «علم آب مولکولی» و European XFEL از طریق برنامه Water Call در تلاش برای درک بهتر اشکال مختلف آب هستند. ساکورا پاسکارلی، مدیر علمی European XFEL، خاطرنشان می‌کند که این یک دستاورد بزرگ دیگر از برنامه Water Call است که از دانشمندان در سرتاسر جهان دعوت می‌کند تا مطالعات نوآورانه خود را در مورد آب، این ماده شگفت‌انگیز پیشنهاد دهند.

پایگاه خبری جریان/ جریان آنلاین