محققان با استفاده از بزرگترین لیزر اشعه ایکس جهان فازی جدید از یخ را کشف کردهاند که در دمای اتاق و تحت فشار بسیار بالا شکل میگیرد. این یافته چشمانداز ما درباره مولکول آب و فازهای پیچیده آن را گسترش میدهد.
چطور یک یخ عجیب در آزمایشگاه ظاهر شد
آب ساده در شرایط مختلف دما و فشار میتواند به بیش از ۲۰ فاز متفاوت تبدیل شود. در این پژوهش جدید، تیمی از دانشمندان در European XFEL از سلول سندان الماس استفاده کردند تا آب را در عرض ۱۰ میلیثانیه تا فشار حدود ۲ گیگاپاسکال (معادل تقریباً ۲۰ هزار برابر فشار هوای سطح دریا) فشرده کنند.
پس از هر مرحله فشردهسازی، فشار طی حدود یک ثانیه بهصورت کنترلشده آزاد شد و فرایند بیش از هزار بار تکرار گردید. در تمام این مدت پرتوهای اشعه ایکس فوقالعاده کوتاه و سریع یک میلیون فریم در ثانیه ثبت کردند تا روند بلورین شدن و گذارهای میانی ساختار آب قابلمشاهده شود.
ویژگیهای منحصربهفرد یخ XXI
این فاز تازه که به نام یخ XXI شناخته میشود، ساختاری تتراگونال دارد و واحد تکرارشونده آن شامل ۱۵۲ مولکول آب است. چنین آرایش بلوری بزرگ و منظم، یخ XXI را از سایر فازهای شناختهشده آب متمایز میسازد.
یخ XXI در واقع یکی از چندین مرحله میانی است که آب هنگام تحول به فازهای پیچیدهتر مانند یخ VI از آن عبور میکند. این مسیرهای بلورین متعدد نشان میدهد که تحول ساختارهای مولکولی آب در فشار بالا پیچیدگیهای بیشتری دارد تا آنچه پیشتر تصور میشد.
پیامدها برای علم سیارهشناسی و مواد
کشف یخ XXI فقط یک نتیجه آزمایشگاهی نیست؛ میتواند درک ما از ساختارهای درونی قمرها و سیارات یخی مانند اقماری که دور مشتری یا اورانوس میچرخند را تغییر دهد. محققان میگویند احتمال وجود فازهای ناشناخته دیگری از آب در شرایط داخلی این اجرام بالاست.
گئون وو لی از مؤسسه تحقیقات استاندارد و علم کره میگوید که با پالسهای منحصربهفرد اشعه ایکس در European XFEL مسیرهای بلورین متعددی در H2O را کشف کردهاند، و این پژوهش نشان میدهد که فشردهسازی و آزادسازی دینامیک میتواند به کشف فازهای جدید منجر شود.
فناوری و گامهای بعدی
این نوع آزمایشها به ترکیب چندین فناوری پیشرفته نیاز دارد: سلول سندان الماس برای ایجاد فشارهای بالا، لیزرهای اشعه ایکس برای تصویربرداری سریع و روشهای پردازش داده برای استخراج ساختارهای بلوری از میلیونها فریم. پژوهشگران قصد دارند دامنه تغییرات فشار و سرعت را گسترش دهند تا رفتارهای کمتر دیدهشده آب را بهتر بشناسند.
نکته مهم این است که تولید یخ XXI در خانه یا فریزهای معمولی امکانپذیر نیست؛ این فاز تنها در شرایط آزمایشگاهی خاص و تحت فشار بسیار بالا ایجاد میشود.
چرا این کشف اهمیت دارد
فهم دقیقتر فازهای آب میتواند به توسعه مواد جدید با خواص ویژه، مدلسازی بهتر شرایط درونی سیارات و حتی فهم نقش آب در فرایندهای ژئوفیزیکی کمک کند. کشف یخ XXI دریچهای جدید به سوی دنیای مولکولی آب گشود که هنوز رازهای بسیاری در خود دارد.