Σε ένα από τα πιο εντυπωσιακά πειράματα φυσικής των τελευταίων ετών, ερευνητές ανακάλυψαν μια εντελώς νέα μορφή πάγου, έναν τύπο που μπορεί να σχηματιστεί όχι σε πολικές θερμοκρασίες, αλλά σε θερμοκρασία δωματίου. Το φαινόμενο, που εντοπίστηκε χάρη σε ένα υπερ-ισχυρό laser ακτίνων Χ, αποκάλυψε μια νέα φάση της ύλης που οι επιστήμονες ονόμασαν “Ice XXI”.
Η ανακάλυψη αυτή, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Materials, έγινε στο ερευνητικό κέντρο European XFEL στη Γερμανία – το ισχυρότερο laser ακτίνων Χ στον κόσμο. Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνολογία αιχμής, οι επιστήμονες κατάφεραν να παρατηρήσουν τη συμπεριφορά του νερού υπό συνθήκες ακραίας πίεσης, ανακαλύπτοντας έναν άγνωστο μέχρι σήμερα τρόπο με τον οποίο τα μόρια του H₂O οργανώνονται σε στερεή μορφή.
Στην καθημερινότητά μας γνωρίζουμε τον πάγο που σχηματίζεται στους 0°C, γνωστό στους φυσικούς ως “ice I”. Ωστόσο, οι επιστήμονες γνωρίζουν εδώ και δεκαετίες ότι το νερό μπορεί να πάρει πάνω από 20 διαφορετικές μορφές πάγου, ανάλογα με τη θερμοκρασία και την πίεση. Κάθε μία από αυτές έχει ξεχωριστή κρυσταλλική δομή, και πολλές πιθανόν να υπάρχουν σε πλανήτες ή φεγγάρια μακριά από τη Γη.
Ο “Ice XXI” διαφέρει από όλους τους προηγούμενους τύπους. Διαθέτει τετραγωνική (τετραγωνική-πρισματική) κρυσταλλική δομή με επαναλαμβανόμενες μονάδες που αποτελούνται από 152 μόρια νερού – κάτι που τον κάνει μοναδικό ανάμεσα στις γνωστές φάσεις του πάγου. Η σύνθετη αυτή δομή του δίνει ιδιαίτερες φυσικές ιδιότητες, που ίσως εξηγούν φαινόμενα σε πλανήτες όπου επικρατούν πιέσεις χιλιάδες φορές μεγαλύτερες από αυτές της Γης.
Ωστόσο, κανείς δεν πρόκειται να φτιάξει κύβους “Ice XXI” στην κουζίνα του. Για να δημιουργήσουν τη νέα μορφή πάγου, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια ειδική συσκευή γνωστή ως “diamond anvil cell” – δύο διαμαντένιες επιφάνειες που συμπιέζουν σταγόνες νερού σε ασύλληπτα επίπεδα πίεσης, που φτάνουν τα 2 gigapascals, δηλαδή περίπου 20.000 φορές μεγαλύτερη από την ατμοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας.
Η διαδικασία διαρκούσε μόλις 10 χιλιοστά του δευτερολέπτου, αλλά ακολουθούσε σταδιακή αποσυμπίεση μέσα σε ένα δευτερόλεπτο. Το πείραμα επαναλήφθηκε εκατοντάδες φορές, ενώ ταυτόχρονα το laser ακτίνων Χ του European XFEL κατέγραφε ένα εκατομμύριο εικόνες ανά δευτερόλεπτο, επιτρέποντας στους ερευνητές να δουν με ακρίβεια πώς μεταβάλλεται η δομή του πάγου σε κάθε φάση της διαδικασίας.
Ο επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας, Geun Woo Lee από το Korea Research Institute of Standards and Science, εξήγησε ότι με αυτή τη μέθοδο μπόρεσαν να αποκαλύψουν “πολλαπλές διαδρομές κρυστάλλωσης” του νερού, καθώς το συμπίεζαν και το αποσυμπίεζαν πάνω από 1.000 φορές. Η νέα αυτή φάση, σύμφωνα με τα δεδομένα, φαίνεται να είναι ένα ενδιάμεσο στάδιο πριν το νερό μετατραπεί σε μια άλλη, ήδη γνωστή εξωτική μορφή, τον πάγο VI.
Η ανακάλυψη του “Ice XXI” ανοίγει νέους δρόμους στην κατανόηση των φυσικών ιδιοτήτων του νερού, ενός από τα πιο απλά και ταυτόχρονα πιο πολύπλοκα υλικά στο Σύμπαν. Το νερό είναι γνωστό για τη “παράξενη” συμπεριφορά του: ενώ σχεδόν όλα τα υγρά γίνονται πιο πυκνά όταν παγώνουν, το νερό κάνει το αντίθετο — κάτι που εξηγεί γιατί ο πάγος επιπλέει. Η μελέτη νέων μορφών του μπορεί να αποκαλύψει γιατί το μόριο του H₂O παρουσιάζει τόσες ανωμαλίες, οι οποίες παίζουν καθοριστικό ρόλο στη διαμόρφωση της ζωής στη Γη.
Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι η ύπαρξη του “Ice XXI” – και άλλων ακόμη άγνωστων φάσεων – θα μπορούσε να εξηγήσει και φαινόμενα που παρατηρούνται σε παγωμένους πλανήτες και φεγγάρια του Ηλιακού μας Συστήματος, όπως ο Ποσειδώνας, ο Ουρανός ή ο Εγκέλαδος του Κρόνου. Σε αυτούς τους κόσμους, το νερό μπορεί να βρίσκεται σε συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας που στη Γη είναι αδιανόητες, σχηματίζοντας μορφές πάγου που μόλις αρχίζουμε να αντιλαμβανόμαστε.
Η μελέτη του “Ice XXI” θα μπορούσε να βοηθήσει στην κατανόηση των γεωλογικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα σε εξωπλανήτες, καθώς και στον σχεδιασμό υλικών που αντέχουν σε ακραίες συνθήκες.
Όπως σημειώνει ο Lee, “η ανακάλυψη αυτή μας δείχνει ότι το νερό εξακολουθεί να κρύβει μυστικά. Παρά το ότι είναι το πιο κοινό υγρό στη Γη, παραμένει ένα από τα πιο ανεξερεύνητα όταν το ωθούμε στα όρια της φύσης του.”
[via]
