این یخ آب نمی‌شود! دانشمندان چگونه آن را کشف کردند؟
دانشمندان موفق به کشف نوع جدیدی از یخ شده‌اند که حتی در دمای محیط نیز آب نمی‌شود.
یخ ماده‌ای ساده به نظر می‌رسد، اما با وجود اینکه از مولکول‌های آب تشکیل شده است، تنوع شگفت‌انگیزی دارد. تاکنون، دانشمندان بیش از ۲۰ نوع ساختار جامد یا «فاز» مختلف برای یخ شناسایی کرده‌اند که هر کدام ویژگی‌های منحصربهفرد خود را دارند. این انواع مختلف یخ معمولاً با شماره‌های رومی نظیر یخ I، یخ II، و یخ III دسته‌بندی می‌شوند. اکنون با تحقیقات یک تیم بین‌المللی به رهبری محققان مؤسسه تحقیقات استاندارد و علوم کره (KRISS)، نوع جدیدی با عنوان یخ XXI کشف شده که ویژگی‌های شگفت‌انگیزی دارد. این گروه توانسته‌اند به کمک ابزارهای پیشرفته اشعه ایکس در European XFEL و PETRA III ساختار منحصربهفرد این یخ را بررسی کنند.
شکلی متفاوت از یخ: یخ XXI
یخ XXI به طور کامل از دیگر اشکال یخ که تاکنون شناسایی شده‌اند متمایز است. این نوع یخ در شرایط خاص و زمانی که آب مایع تحت فشار بالا قرار گیرد، به وجود می‌آید. فرایندی که دانشمندان آن را «آب فوق‌فشرده» می‌نامند، منجر به تشکیل این نوع یخ در دمای اتاق می‌شود. یخ XXI، نوعی فاز نیمه‌پایدار است؛ یعنی در شرایطی قابل دوام است که قاعده‌ای باید به گونه‌ای دیگر عمل کند و نوع خاصی از یخ جایگزین آن شود. این کشف، درک جدیدی از دگرگونی‌ها و رفتار یخ تحت فشارهای بالا فراهم کرده است.
پیچیدگی شگفت‌انگیز مولکول آب
آب با فرمول H۲O، علی‌رغم ساختار ساده‌اش که تنها از دو عنصر تشکیل شده است، در حالت جامد پیچیدگی‌های بسیاری دارد. اکثر فازهای یخ تحت دماهای پایین و فشارهای بالا دیده می‌شوند. تیم تحقیقاتی در این مطالعه موفق شدند درباره نحوه تشکیل و تغییر فازهای مختلف یخ تحت فشار اطلاعات بیشتری کسب کنند.
گون وو لی، دانشمند KRISS، بیان می‌کند که فشار زیاد بر آب مایع به آن اجازه می‌دهد تا در حالت مایع باقی بماند، حتی زمانی که طبق تصور قبلی باید به یخ VI تبدیل می‌شد. یخ VI از جمله اشکال جالب یخ است که احتمالاً در درون ماه‌های یخی مانند تیتان و گانیمد یافت می‌شود. ساختار خاص و پیچیده آن، مسیرهای گذار متفاوتی را فراهم می‌کند که در نهایت به تشکیل یخ نیمه‌پایدار منجر می‌شود.
چگونه یخ XXI تولید شد؟
از آنجا که بیشتر انواع یخ تنها تحت شرایط سخت و فشار زیاد شکل می‌گیرند، محققان برای ایجاد شرایط مناسب، از سلول‌های سندان الماسی (Diamond Anvil Cells) استفاده کردند. در این روش، مولکول‌های آب میان دو قطعه الماس فوق سخت قرار داده شده تا فشار بالا ایجاد شود. این فشار به ۲ گیگاپاسکال، یعنی ۲۰,۰۰۰ برابر فشار هوای معمولی رسید. این حجم فشار باعث شد که حتی در دمای محیط، یخ تشکیل شود و مولکول‌ها با تراکم بیشتری کنار یکدیگر قرار گیرند.
در همین محفظه فشار، یخ XXI تولید شد و با کمک پالس‌های اشعه ایکس قدرتمند و فوق کوتاه از مرکز پیشرفته European XFEL مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.
روش‌های پیشرفته مطالعه یخ تحت فشار
برای مشاهده تغییرات یخ در شرایط فشار مختلف، پژوهشگران ابتدا فشار بالا معادل ۲ گیگاپاسکال را در مدت ۱۰ میلی‌ثانیه ایجاد کردند و سپس در زمانی نزدیک به ۱ ثانیه فشار را آزاد کرده و این پروسه را چندین بار تکرار کردند. در این مراحل، محققان از اشعه ایکس مرکز European XFEL استفاده کردند تا در کسری از ثانیه از نمونه‌ها عکس گرفته و تصویربرداری کنند. پالس‌های شدید اشعه ایکس مانند دوربین‌های فوق سریع عمل کرده و امکان ساخت فیلم‌هایی از نحوه تشکیل ساختار یخ را فراهم کردند.
در ادامه، دانشمندان با بهره‌گیری از خط پرتو P02.2 در PETRA III دریافتند که یخ XXI دارای ساختار بلوری تتراگونال است و از واحدهای متقارن و بزرگی به نام سلول‌های واحد تشکیل شده است.
چشم‌انداز تازه‌ای از ماه‌های یخی
گون وو لی توضیح می‌دهد که فشار شدید بر آب اجازه می‌دهد تا مسیرهای مختلفی برای تبلور آن کشف شود. این روش پس از تست فشرده‌سازی بیش از ۱۰۰۰ بار توسط سلول سندان الماسی حاصل شد. کورنلیوس استروم از تیم DESY HIBEF نیز بیان می‌کند که ابزار مورد استفاده در مرکز European XFEL به دانشمندان توانایی مطالعه نمونه‌ها در فشارهای بسیار بالا را می‌دهد.
لی همچنین اشاره می‌کند که ساختار متبلور شده از آب به شرایط فوق‌فشردگی وابسته است. ریچل هاسبند، یکی دیگر از اعضای تیم DESY HIBEF، می‌گوید یافته‌های اخیر نشان می‌دهد که ممکن است انواع بیشتری از فازهای یخ نیمه‌پایدار با ویژگی‌ها و دگرگونی‌های منحصربهفرد وجود داشته باشند. این کشف می‌تواند چشم‌انداز تازه‌ای از ترکیب ماه‌های یخی به ما ارائه دهد.
از طریق همکاری دو مرکز DESY و European XFEL، و با مشارکت برنامه تحقیقاتی آب مولکولی ، دانشمندان امیدوارند که شناخت بهتری نسبت به رفتار آب پیدا کنند. ساکورا پاسکارلی، مدیر علمی European XFEL، تأکید می‌کند که این دستاورد یک گام مهم در برنامه مطالعاتی مرتبط به آب به شمار می‌رود که در آن از محققان دعوت می‌شود ایده‌های نوآورانه‌ای در مورد پژوهش‌های مرتبط با آب ارائه دهند.
نظر شما