Μια παράξενη μορφή νερού μπορεί να υπάρχει σε όλο το σύμπαν


Πρόσφατα στο Το εργαστήριο για την Ενεργειακή Λέιζερ στο Μπράιτον της Νέας Υόρκης, ένα από τα πιο ισχυρά λέιζερ του κόσμου, έριξε ένα σταγονίδιο νερού δημιουργώντας ένα κύμα κλονισμού που αύξησε την πίεση του νερού σε εκατομμύρια ατμόσφαιρες και τη θερμοκρασία του σε χιλιάδες βαθμούς. Οι ακτινογραφίες που περνούσαν μέσα από το σταγονίδιο στο ίδιο κλάσμα του δευτέρου, έδωσαν την πρώτη ματιά στο νερό της ανθρωπότητας κάτω από αυτές τις ακραίες συνθήκες.

Quanta Magazine


φωτογραφία συγγραφέα

Σχετικά με

Γνήσια ιστορία ανατυπωμένη με άδεια από το Quanta Magazine, μια ανεξάρτητη δημοσίευση του Ιδρύματος Simons, η αποστολή του οποίου είναι να ενισχύσει την κατανόηση της επιστήμης από το κοινό, καλύπτοντας τις εξελίξεις της έρευνας και τις τάσεις στα μαθηματικά και τις φυσικές και βιολογικές επιστήμες.

Οι ακτίνες Χ αποκάλυψαν ότι το νερό στο εσωτερικό του κρουστικού κύματος δεν έγινε υπερθερμανθέν υγρό ή αέριο. Παραδόξως – αλλά ακριβώς όπως οι φυσικοί που στραγγιστούσαν σε οθόνες σε ένα παρακείμενο χώρο περίμεναν – τα άτομα παγώθηκαν στερεά σχηματίζοντας κρυσταλλικό πάγο.

"Ακούτε το πλάνο", δήλωσε ο Marius Millot του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Livermore στην Καλιφόρνια και "αμέσως βλέπεις ότι κάτι ενδιαφέρον συνέβη". Ο Millot συνέστησε το πείραμα με τη Federica Coppari, επίσης από τον Lawrence Livermore.

Τα ευρήματα που δημοσιεύτηκαν αυτήν την εβδομάδα στο Φύση, επιβεβαιώνουν την ύπαρξη "υπερηδονικού πάγου", μιας νέας φάσης νερού με παράξενες ιδιότητες. Σε αντίθεση με τον οικείο πάγο που βρίσκεται στον καταψύκτη σας ή στο βόρειο πόλο, ο υπεριονικός πάγος είναι μαύρος και ζεστός. Ένας κύβος θα ζυγίζει τέσσερις φορές περισσότερο από ένα κανονικό. Αρχικά είχε προβλεφθεί θεωρητικά πριν από περισσότερα από 30 χρόνια και παρόλο που δεν έχει δει ποτέ μέχρι σήμερα, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι μπορεί να είναι μεταξύ των πιο άφθονων μορφών νερού στο σύμπαν.

Πάνω από το ηλιακό σύστημα, τουλάχιστον, πιθανότατα υπάρχει περισσότερο ύδωρ ως υπερενιονικό γεμάτο με πάγο εσωτερικό των Ουρανών και του Ποσειδώνα – απ 'ότι σε οποιαδήποτε άλλη φάση, συμπεριλαμβανομένης της υγρής μορφής που χύνεται στους ωκεανούς στη Γη, την Ευρώπη και τον Εγκέλαδο. Η ανακάλυψη του υπεριονικού πάγου μπορεί να λύσει δυο δεκαετίες παζλ σχετικά με τη σύνθεση αυτών των κόσμων "παγετώνων".

Συμπεριλαμβανομένης της εξαγωνικής ρύθμισης των μορίων του νερού που βρίσκονται στον κοινό πάγο, γνωστός ως «ice Ih», οι επιστήμονες είχαν ήδη ανακαλύψει μια παράξενη 18 αρχιτεκτονικές κρυστάλλων πάγου. Μετά τον πάγο Ι, που έρχεται σε δύο μορφές, Ih και Ic, τα υπόλοιπα αριθμούνται από ΙΙ έως XVII, σύμφωνα με την ανακάλυψή τους. (Ναι, υπάρχει ένας πάγος ΙΧ, αλλά υπάρχει μόνο κάτω από φημισμένες συνθήκες, σε αντίθεση με τη φανταστική ουσία της κρίσης στο μυθιστόρημα του Kurt Vonnegut Πριονάκι.)

Ο υπεριονικός πάγος μπορεί τώρα να διεκδικήσει το μανδύα του πάγου XVIII. Είναι ένα νέο κρύσταλλο, αλλά με μια συστροφή. Όλες οι προηγουμένως γνωστές παγωμένες πηγές νερού κατασκευάζονται από άθικτα μόρια νερού, το καθένα με ένα άτομο οξυγόνου συνδεδεμένο με δύο υδρογόνα. Αλλά superionic πάγο, οι νέες μετρήσεις επιβεβαιώνουν, δεν είναι έτσι. Υπάρχει σε ένα είδος σουρεαλιστικού αδένα, μέρος στερεό, μερικώς υγρό. Μεμονωμένα μόρια νερού σπάνε. Τα άτομα οξυγόνου σχηματίζουν ένα κυβικό πλέγμα, αλλά τα άτομα υδρογόνου διαχέονται ελεύθερα, ρέοντας σαν υγρό μέσα από τον άκαμπτο κλωβό των οξυγόνων.

Μια ενσωματωμένη στο χρόνο φωτογραφία του πειράματος περίθλασης ακτίνων Χ στο εργαστήριο Laser Energetics του Πανεπιστημίου του Rochester. Τα γιγάντια λέιζερ επικεντρώνονται σε ένα δείγμα νερού για να τα συμπιέσουν στην υπερηνιονική φάση. Πρόσθετες δέσμες λέιζερ δημιουργούν μια ακτινογραφία από ένα φύλλο σιδήρου, επιτρέποντας στους ερευνητές να τραβήξουν στιγμιότυπο της στρώσης πεπιεσμένου νερού.

Millot, Coppari, Kowaluk (LLNL)

Οι ειδικοί λένε ότι η ανακάλυψη του υπεριονικού πάγου επιβεβαιώνει τις προβλέψεις των υπολογιστών, οι οποίες θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους φυσικούς των υλικών να κατασκευάσουν μελλοντικές ουσίες με ειδικές ιδιότητες. Και η εύρεση του πάγου απαιτεί εξαιρετικά γρήγορες μετρήσεις και λεπτό έλεγχο της θερμοκρασίας και της πίεσης, προωθώντας τις πειραματικές τεχνικές. "Όλα αυτά δεν θα ήταν δυνατόν πριν από πέντε χρόνια", δήλωσε ο Christoph Salzmann στο University College του Λονδίνου, ο οποίος ανακάλυψε παγωτά XIII, XIV και XV. «Θα έχει τεράστιο αντίκτυπο, σίγουρα».

Ανάλογα με τον οποίο ρωτάτε, ο υπεριονικός πάγος είναι είτε μια άλλη προσθήκη στο ήδη γεμάτο συσσωμάτωμα avatar ή κάτι ακόμα πιο ξένο. Επειδή τα μόρια του νερού διαλυθούν, είπε ο φυσικός Livia Bove του Εθνικού Κέντρου Επιστημονικών Ερευνών της Γαλλίας και το Πανεπιστήμιο Pierre και Marie Curie, δεν είναι μια νέα φάση νερού. "Είναι πραγματικά μια νέα κατάσταση της ύλης", είπε, "η οποία είναι αρκετά θεαματική."

Παζλ βάζουμε στον πάγο

Οι φυσικοί έχουν περάσει από τους υπερηδονικούς πάγους εδώ και χρόνια από τότε που μια πρωτότυπη προσομοίωση από τον υπολογιστή που οδήγησε ο Pierfranco Demontis το 1988 προέβλεψε ότι το νερό θα πάρει αυτή την παράξενη μορφή, σχεδόν μεταλλική, αν τον έσπασε πέρα ​​από τον χάρτη γνωστών φάσεων πάγου.

Υπό ακραίες πιέσεις και θερμότητα, οι προτεινόμενες προσομοιώσεις, τα μόρια του νερού σπάνε. Με τα άτομα του οξυγόνου που είναι κλειδωμένα σε ένα κυβικό πλέγμα, "τα υδρογόνα αρχίζουν τώρα να πηδούν από τη μια θέση στον κρύσταλλο στο άλλο και πάλι να πηδούν και πάλι να πηδούν", δήλωσε ο Millot. Τα άλματα μεταξύ των σημείων πλέγματος είναι τόσο γρήγορα που τα άτομα υδρογόνου – τα οποία ιονίζονται, κάνοντάς τα ουσιαστικά θετικά φορτισμένα πρωτόνια – φαίνεται να κινούνται σαν ένα υγρό.

Αυτός ο προτεινόμενος υπερυονικός πάγος θα οδηγούσε ηλεκτρισμό, σαν μέταλλο, με τα υδρογόνα να παίζουν τον συνήθη ρόλο των ηλεκτρονίων. Έχοντας αυτά τα χαλαρά άτομα υδρογόνου που αναβλύζουν, θα τονώσουν επίσης τη διαταραχή του πάγου ή την εντροπία. Με τη σειρά του, αυτή η αύξηση της εντροπίας θα έκανε αυτόν τον πάγο πολύ πιο σταθερό από άλλα είδη κρυστάλλων πάγου, προκαλώντας το σημείο τήξης του να ανεβαίνει προς τα πάνω.

Αλλά όλα αυτά ήταν εύκολο να φανταστεί κανείς και δύσκολα να εμπιστευτείς. Τα πρώτα μοντέλα χρησιμοποίησαν την απλοποιημένη φυσική, με το χέρι τους με το κβαντικό χαρακτήρα των πραγματικών μορίων. Οι μεταγενέστερες προσομοιώσεις διπλώθηκαν σε περισσότερες κβαντικές επιδράσεις, αλλά παραμέλησαν τις πραγματικές εξισώσεις που απαιτούνται για την περιγραφή αλληλεπιδραστικών πολλαπλών κβαντικών σωμάτων, τα οποία είναι πολύ υπολογιστικά δύσκολα να λυθούν. Αντ 'αυτού, βασίστηκαν σε προσεγγίσεις, αυξάνοντας το ενδεχόμενο ότι ολόκληρο το σενάριο θα μπορούσε να είναι απλώς ένα μιράζ σε μια προσομοίωση.
Τα πειράματα, εν τω μεταξύ, δεν μπορούσαν να κάνουν τις απαιτούμενες πιέσεις χωρίς να παράγουν αρκετή θερμότητα για να λιώσουν ακόμη και αυτή την ανθεκτική ουσία.

Καθώς το πρόβλημα έμοιαζε, όμως, οι πλανητικοί επιστήμονες ανέπτυξαν τις δικές τους κρυφά υποψίες ότι το νερό μπορεί να έχει μια υπεροονική φάση πάγου. Την εποχή που είχε αρχικά προβλεφθεί η φάση, ο ανιχνευτής Voyager 2 είχε φτάσει στο εξωτερικό ηλιακό σύστημα, αποκαλύπτοντας κάτι περίεργο για τα μαγνητικά πεδία των παγετώνων του Ουρανού και του Ποσειδώνα.

Τα πεδία γύρω από τους άλλους πλανήτες του ηλιακού συστήματος φαίνεται να αποτελούνται από έντονα καθορισμένους βόρειους και νότιους πόλους, χωρίς άλλη δομή. Είναι σχεδόν σαν να έχουν μόνο μαγνήτες ράβδων στα κέντρα τους, ευθυγραμμισμένοι με τους άξονες περιστροφής τους. Οι πλανητικοί επιστήμονες κιμωλίζουν αυτό το "δυναμό": περιοχές εσωτερικών χώρων όπου τα αγώγιμα υγρά ανυψώνονται και στροβιλίζονται καθώς ο πλανήτης περιστρέφεται, δημιουργώντας μαζικά μαγνητικά πεδία.

Αντίθετα, τα μαγνητικά πεδία που προέρχονται από τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα φαινόταν πιο ογκώδη και πιο περίπλοκα, με περισσότερους από δύο πόλους. Επίσης, δεν ευθυγραμμίζονται τόσο κοντά με την περιστροφή των πλανητών τους. Ένας τρόπος για να παραχθεί αυτό θα ήταν να περιοριστεί κάπως το αγώγιμο υγρό που είναι υπεύθυνο για το δυναμό σε ένα λεπτό εξωτερικό περίβλημα του πλανήτη, αντί να το αφήσει να φτάσει στον πυρήνα.

Αλλά η ιδέα ότι αυτοί οι πλανήτες μπορεί να έχουν συμπαγείς πυρήνες, οι οποίοι είναι ανίκανοι να δημιουργήσουν δυναμό, δεν φαινόταν ρεαλιστικός. Αν βάζατε σε αυτούς τους γιγάντες πάγου, θα περιμένατε να συναντήσετε πρώτα ένα στρώμα ιονικού νερού, το οποίο θα ρέει, θα διεξάγει ρεύματα και θα συμμετέχει σε δυναμό. Φαινομενικά, φαίνεται ότι ακόμη πιο βαθύ υλικό, ακόμη και σε θερμότερες θερμοκρασίες, θα ήταν επίσης ρευστό. "Πάντα έκανα ανέκδοτα ότι δεν υπάρχει κανένας τρόπος που οι εσωτερικοί χώροι του Ουρανού και του Ποσειδώνα είναι πραγματικά σταθεροί", δήλωσε η Sabine Stanley στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins. "Αλλά τώρα αποδεικνύεται ότι μπορεί να είναι πραγματικά."

Πάγος στην έκρηξη

Τώρα, τέλος, ο Coppari, ο Millot και η ομάδα τους έφεραν μαζί τα κομμάτια του παζλ.

Σε ένα προηγούμενο πείραμα, που δημοσιεύθηκε τον περασμένο Φεβρουάριο, οι φυσικοί δημιούργησαν έμμεσες αποδείξεις για τον υπερηχητικό πάγο. Έσπρωξαν ένα σταγονίδιο νερού μεταξύ των άκρων των δύο διαμαντιών. Μέχρι τη στιγμή που η πίεση έφτασε σε περίπου ένα gigapascal, περίπου 10 φορές εκείνη που βρισκόταν στο βυθό του Marianas Trench, το νερό είχε μετατραπεί σε τετραγωνικό κρύσταλλο που ονομάζεται πάγος VI. Με περίπου 2 gigapascals, είχε μετατραπεί σε πάγο VII, μια πυκνότερη, κυβική μορφή διαφανής στο γυμνό μάτι που πρόσφατα ανακάλυψαν οι επιστήμονες υπάρχει επίσης σε μικροσκοπικές τσέπες μέσα σε φυσικά διαμάντια.

Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας το λέιζερ OMEGA στο εργαστήριο για την ενεργειακή απόδοση λέιζερ, ο Millot και οι συνεργάτες του στοχεύουν στον πάγο VII, που βρίσκεται ακόμα ανάμεσα σε αμόνι διαμαντιού. Καθώς το λέιζερ χτύπησε την επιφάνεια του διαμαντιού, εξατμίστηκε το υλικό προς τα πάνω, ανεβάζοντας αποτελεσματικά το διαμάντι προς την αντίθετη κατεύθυνση και στέλνοντας ένα κύμα κλονισμού μέσω του πάγου. Η ομάδα του Millot διαπίστωσε ότι ο πάγος υπερ-πεπιεσμένου σημείου τήκεται στους περίπου 4700 βαθμούς Κελσίου, περίπου όπως αναμενόταν για τους υπερηδονικούς πάγους, και ότι έκανε ηλεκτρική ενέργεια χάρη στην κίνηση των φορτισμένων πρωτονίων.

Η Federica Coppari, φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο του Lawrence Livermore, με μια πλάκα απεικόνισης ακτίνων Χ, που χρησιμοποίησε μαζί με τους συναδέλφους της για να ανακαλύψει πάγο XVIII, γνωστό και ως superionic ice.

Eugene Kowaluk / Εργαστήριο για την Ενεργειακή Laser

Με αυτές τις προβλέψεις για τις ιδιότητες χύδην superionic πάγου εγκαταστάθηκαν, η νέα μελέτη με επικεφαλής τον Coppari και Millot πήρε το επόμενο βήμα για να επιβεβαιώσει τη δομή του. "Αν πραγματικά θέλετε να αποδείξετε ότι κάτι είναι κρυσταλλικό, τότε χρειάζεστε περίθλαση ακτίνων Χ", δήλωσε ο Σάλτσμαν.

Το νέο τους πείραμα ξεπέρασε τους πάστες VI και VII συνολικά. Αντ 'αυτού, η ομάδα απλά έσπασε το νερό με εκρήξεις λέιζερ μεταξύ αμόνι με διαμάντια. Δισεκατομμύρια δευτερόλεπτα αργότερα, καθώς τα κύματα κλονισμού ξεχύθηκαν και το νερό άρχισε να κρυσταλλώνεται σε κύβους πάγου μεγέθους νανομέτρου, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν 16 περισσότερες δέσμες λέιζερ για να εξατμίσουν μια λεπτή λωρίδα σιδήρου δίπλα στο δείγμα. Το προκύπτον θερμό πλάσμα πλημμύρισε το νερό κρυστάλλωσης με ακτίνες Χ, οι οποίες στη συνέχεια διαχέονται από τους κρυστάλλους πάγου, επιτρέποντας στην ομάδα να διακρίνει τη δομή τους.

Τα άτομα στο νερό είχαν αναδιαμορφωθεί στη μακρά προβλεπόμενη, αλλά ποτέ πριν, αρχιτεκτονική, Ice XVIII: ένα κυβικό πλέγμα με άτομα οξυγόνου σε κάθε γωνία και στο κέντρο κάθε προσώπου. "Είναι μια σημαντική ανακάλυψη", δήλωσε ο Coppari.

"Το γεγονός ότι η ύπαρξη αυτής της φάσης δεν είναι ένα τεχνούργημα κβαντικών μοριακών δυναμικών προσομοιώσεων, αλλά είναι πραγματικό – αυτό είναι πολύ παρήγορο", δήλωσε ο Bove.

Και αυτό το είδος επιτυχούς διασταύρωσης πίσω από τις προσομοιώσεις και το πραγματικό superionic πάγο δείχνει ότι το απόλυτο "όνειρο" των ερευνητών υλικών φυσικής μπορεί να είναι σύντομα εφικτός. "Μου λέτε ποιες ιδιότητες θέλετε σε ένα υλικό και θα πάμε στον υπολογιστή και θα καταλάβουμε θεωρητικά ποιο υλικό και τι είδους κρυσταλλική δομή θα χρειαστείτε", δήλωσε ο Raymond Jeanloz, μέλος της ομάδας ανακάλυψης που εδρεύει στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, Μπέρκλεϊ. "Η κοινότητα στο σύνολό της πλησιάζει."

Οι νέες αναλύσεις υπονοούν επίσης ότι αν και ο υπεριωδικός πάγος παράγει κάποια ηλεκτρική ενέργεια, είναι ένα συμπαγές στερεό. Θα ρέει με την πάροδο του χρόνου, αλλά δεν θα χτυπήσει πραγματικά. Μέσα από τον Ουράνιο και τον Ποσειδώνα, τότε, τα υγρά στρώματα θα μπορούσαν να σταματήσουν περίπου 8.000 χιλιόμετρα κάτω στον πλανήτη, όπου αρχίζει ένας τεράστιος μανδύας από υποτονικό, υπερηνιονικό πάγο όπως η ομάδα του Millot. Αυτό θα περιόριζε τις περισσότερες δυναμικές δράσεις σε μικρότερα βάθη, καταγράφοντας τα ασυνήθιστα πεδία των πλανητών.

Άλλοι πλανήτες και φεγγάρια στο ηλιακό σύστημα πιθανότατα δεν φιλοξενούν τα σωστά εσωτερικά γλυκά σημεία της θερμοκρασίας και της πίεσης για να επιτρέψουν τον υπερηχητικό πάγο. Ωστόσο, πολλοί εξωπλανήτες μεγέθους πάγου μπορεί να υποδεικνύουν ότι η ουσία μπορεί να είναι κοινή μέσα στους παγωμένους κόσμους σε όλο τον γαλαξία.

Φυσικά, όμως, κανένας πραγματικός πλανήτης δεν περιέχει μόνο νερό. Οι παγωμένοι γίγαντες στο ηλιακό μας σύστημα αναμειγνύονται επίσης σε χημικά είδη όπως το μεθάνιο και η αμμωνία. Ο βαθμός στον οποίο συμβαίνει στην πραγματικότητα η υπεροονική συμπεριφορά στη φύση "θα εξαρτηθεί από το αν αυτές οι φάσεις εξακολουθούν να υπάρχουν όταν αναμιγνύουμε νερό με άλλα υλικά", δήλωσε ο Stanley. Μέχρι στιγμής, αυτό δεν είναι σαφές, αν και άλλοι ερευνητές υποστήριξαν ότι υπάρχει και υπεροξειδική αμμωνία.

Εκτός από την επέκταση της έρευνάς τους σε άλλα υλικά, η ομάδα ελπίζει επίσης να μηδενίσει την παράξενη, σχεδόν παράδοξη δυαδικότητα των υπερηνιονικών κρυστάλλων τους. Απλά η σύλληψη του πλέγματος των ατόμων οξυγόνου "είναι σαφώς το πιο δύσκολο πείραμα που έχω κάνει ποτέ", δήλωσε ο Millot. Δεν έχουν δει ακόμη τη φαινομενική, παρενθετική ροή των πρωτονίων μέσω του πλέγματος. "Τεχνολογικά, δεν είμαστε ακόμα εκεί," είπε ο Coppari, "αλλά το πεδίο αναπτύσσεται πολύ γρήγορα".

Γνήσια ιστορία ανατυπωμένη με άδεια από το Quanta Magazine, μια ανεξάρτητη δημοσίευση του Ιδρύματος Simons, η αποστολή του οποίου είναι να ενισχύσει την κατανόηση της επιστήμης από το κοινό, καλύπτοντας τις εξελίξεις της έρευνας και τις τάσεις στα μαθηματικά και τις φυσικές και βιολογικές επιστήμες.


Περισσότερες μεγάλες ιστορίες WIRED