Επιστήμονες δημιούργησαν νερό σε μια νέα μορφή ύλης που δεν υπάρχει στη Γη
Αυτό το ασυνήθιστο υλικό ονομάζεται υπεριονικός πάγος (superionic ice)
Snapshot
- Επιστήμονες δημιούργησαν υπεριονικό πάγο που παραμένει στερεός σε θερμοκρασίες άνω των 2.000°C υπό εξαιρετικά υψηλές πιέσεις.
- Στον υπεριονικό πάγο, τα άτομα οξυγόνου σχηματίζουν κρυσταλλικό πλέγμα ενώ το υδρογόνο κινείται ελεύθερα, επιτρέποντας τη μεταφορά ηλεκτρικού ρεύματος.
- Η δομή εξαγωνικής πυκνής διάταξης (hcp) του πάγου επικρατεί σε πιέσεις άνω των 219 γιγαπασκάλ και θερμοκρασίες περίπου 2.357°C.
- Η ύπαρξη αυτής της μορφής πάγου ενδέχεται να εξηγεί τη μαγνητική δραστηριότητα και τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του εσωτερικού των γιγάντιων πλανητών Ουρανού και Ποσειδώνα.
- Το πείραμα επιβεβαίωσε ότι το νερό μπορεί να αλλάξει δομή ατομικά χωρίς να μετατραπεί σε διαφορετική ουσία, επηρεάζοντας τη συμπεριφορά του σε ακραίες συνθήκες.
Επιστήμονες δημιούργησαν ένα παράξενο είδος πάγου που παραμένει στερεό σε θερμοκρασίες άνω των 2.000°C, συμπιέζοντας νερό υπό ασύλληπτα υψηλές πιέσεις. Το πείραμα θα μπορούσε να βοηθήσει στην κατανόηση του τι συμβαίνει βαθιά στο εσωτερικό των παγωμένων γιγάντων Ουρανού και Ποσειδώνα, όπου ενδέχεται να υπάρχουν παρόμοιες μορφές νερού.
Για να το πετύχουν, οι ερευνητές παγίδευσαν μια απειροελάχιστη σταγόνα νερού ανάμεσα σε δύο διαμάντια και τη συμπίεσαν σε πιέσεις εκατομμύρια φορές υψηλότερες από εκείνες που επικρατούν στη Γη. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν λέιζερ για να θερμάνουν το δείγμα, όμως το νερό δεν εξαφανίστηκε απλώς μετατρεπόμενο σε ατμό.
Αυτό το ασυνήθιστο υλικό ονομάζεται υπεριονικός πάγος (superionic ice). Σε αντίθεση με τον κανονικό πάγο, όπου τα μόρια παραμένουν εγκλωβισμένα σε μια σταθερή δομή, σε αυτή τη μορφή τα άτομα οξυγόνου σχηματίζουν ένα στερεό πλέγμα, ενώ το υδρογόνο κινείται στο εσωτερικό του. Αυτή η κίνηση επιτρέπει στο υλικό να άγει ηλεκτρικό ρεύμα.
Οι επιστήμονες μελετούν εδώ και χρόνια αυτή την παράξενη κατάσταση του νερού, καθώς θα μπορούσε να βοηθήσει στην εξήγηση ορισμένων μυστηρίων που περιβάλλουν τους γιγάντιους πλανήτες στις εξωτερικές περιοχές του Ηλιακού Συστήματος.
Το νερό αποκτά μια εντελώς διαφορετική μορφή
Το πείραμα έδειξε ότι το νερό μπορεί να παραμείνει στερεό σε θερμοκρασίες που θα εξαφάνιζαν τον συνηθισμένο πάγο. Οι ερευνητές έφτασαν σε πίεση 219 γιγαπασκάλ και θερμοκρασία 2.630 Κέλβιν, δηλαδή περίπου 2.357°C.
Σε αυτές τις ακραίες συνθήκες, το νερό μετατράπηκε σε μια δομή γνωστή ως εξαγωνική πυκνή διάταξη (hcp). Σύμφωνα με τη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters, αυτή η δομή έγινε η κυρίαρχη μορφή καθώς αυξάνονταν η πίεση και η θερμοκρασία.
Η διαφορά οφείλεται στον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρονται τα άτομα. Στον υπεριονικό πάγο, τα άτομα οξυγόνου παραμένουν οργανωμένα σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα, ενώ οι πυρήνες υδρογόνου κινούνται μέσα σε αυτή τη δομή σχεδόν σαν υγρό. Αυτός ο ασυνήθιστος συνδυασμός προσδίδει στο υλικό την ικανότητα να μεταφέρει ηλεκτρικό φορτίο.
Η ιδέα του υπεριονικού νερού δεν είναι καινούργια. Οι επιστήμονες είχαν προβλέψει την ύπαρξή του πριν από περισσότερα από 30 χρόνια. Σύμφωνα με προηγούμενες έρευνες που αναφέρονται στη μελέτη, τα πρώτα ισχυρά στοιχεία για την ύπαρξή του εμφανίστηκαν το 2018, ενώ ακολούθησαν πειράματα το 2019 που επέτρεψαν στους ερευνητές να εξετάσουν άμεσα την ατομική του δομή.
Νερό υπό ακραία πίεση
Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον Alexis Forestier από τη Γαλλική Επιτροπή Εναλλακτικών Ενεργειών και Ατομικής Ενέργειας, χρησιμοποίησαν μια συσκευή που ονομάζεται κυψελίδα διαμαντιών (diamond-anvil cell) για να συμπιέσουν ένα μικροσκοπικό δείγμα νερού ανάμεσα σε δύο διαμάντια.
Η ομάδα θέρμανε το δείγμα με λέιζερ και χρησιμοποίησε ειδικά επεξεργασμένα διαμάντια εμπλουτισμένα με βόριο για να απορροφήσουν την ενέργεια. Στη συνέχεια μελέτησε το υλικό με μια δέσμη ακτίνων Χ στην Ευρωπαϊκή Εγκατάσταση Ακτινοβολίας Σύγχροτρονου (European Synchrotron Radiation Facility).
Στην υψηλότερη πίεση, το δείγμα νερού είχε διάμετρο μόλις περίπου 12 μικρόμετρα. Καθώς αυξανόταν η πίεση, τα άτομα αναδιατάσσονταν σταδιακά. Η νέα δομή hcp γινόταν ολοένα και πιο συχνή, μέχρι που τελικά επικράτησε στο δείγμα.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η αλλαγή δεν προκλήθηκε επειδή το νερό μετατράπηκε σε διαφορετική ουσία. Αντίθετα, τα άτομα οξυγόνου απλώς μετακινήθηκαν σε μια νέα διάταξη. Αυτή η μικρή αλλαγή σε ατομικό επίπεδο επηρέασε τη συμπεριφορά του υλικού, μεταξύ άλλων και τον τρόπο με τον οποίο κινούνταν το υδρογόνο μέσα στη δομή.
Όπως εξηγούν οι επιστήμονες, η μετάβαση πραγματοποιήθηκε σταδιακά και όχι απότομα, καθώς τα στρώματα των ατόμων μετακινούνταν αργά από τη μία διάταξη στην άλλη.
Ένα πιθανό στοιχείο κρυμμένο στο εσωτερικό του Ουρανού και του Ποσειδώνα
Η παράξενη συμπεριφορά του υπεριονικού πάγου θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν το εσωτερικό του Ουρανού και του Ποσειδώνα. Οι δύο πλανήτες διαθέτουν μαγνητικά πεδία που διαφέρουν σημαντικά από εκείνο της Γης, με ασυνήθιστες κλίσεις και πολύπλοκα χαρακτηριστικά.
Οι ερευνητές έχουν προτείνει ότι αγώγιμα ηλεκτρικά στρώματα βαθιά στο εσωτερικό αυτών των πλανητών θα μπορούσαν να συνδέονται με τη μαγνητική τους δραστηριότητα. Επειδή ο υπεριονικός πάγος μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρικό φορτίο, αποτελεί μία από τις πιθανές εξηγήσεις για όσα συμβαίνουν πολύ κάτω από τις ατμόσφαιρές τους.
Η μελέτη αναφέρει ότι ο νεοταυτοποιημένος υπεριονικός πάγος με δομή hcp θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες μοντελοποιούν τη συμπεριφορά του νερού στο εσωτερικό των γιγάντιων πλανητών.
Προηγούμενα πειράματα είχαν ήδη εντοπίσει μείγματα διαφορετικών υπεριονικών δομών, μεταξύ των οποίων οι μορφές fcc και hcp, σε πιέσεις άνω των περίπου 150 γιγαπασκάλ και θερμοκρασίες κοντά στους 2.500 Κέλβιν.
Οι ερευνητές παρατήρησαν επίσης μια ασυνήθιστη συμπεριφορά διαστολής κοντά στους 1.700 Κέλβιν, δηλαδή περίπου 1.427°C, την οποία συνέδεσαν με την υπεριονική κατάσταση. Μεγάλο μέρος αυτής της διαστολής σημειώθηκε προς μία συγκεκριμένη κατεύθυνση μέσα στην κρυσταλλική δομή, γεγονός που υποδηλώνει ότι το υδρογόνο μπορεί να κινείται ευκολότερα κατά μήκος συγκεκριμένων διαδρομών.
Οι επιστήμονες χρειάζεται ακόμη να κατανοήσουν με ακρίβεια πού μπορεί να υπάρχει αυτή η μορφή πάγου και πώς συμπεριφέρεται στο εσωτερικό των πλανητών. Προς το παρόν, το πείραμα δείχνει ότι το νερό μπορεί να μετατραπεί σε κάτι πολύ πιο παράξενο από τον πάγο που γνωρίζουμε στη Γη.
