بازسازی شکل بسیار عجیب یخ که در دمای چند هزار درجه شکل می‌گیرد
بازسازی شکل بسیار عجیب یخ که در دمای چند هزار درجه شکل می‌گیرد
دانشمندان در آزمایشگاهی روی زمین موفق شده‌اند شواهد تازه‌ای از یکی از غیرمعمول‌ترین حالت‌های آب به دست آورند؛ نوعی یخ ابر‌یونی که در فشارهای فوق‌العاده زیاد و دمایی چند هزار درجه‌ای شکل می‌گیرد. این آزمایش در فشار حدود ۲۳۰ گیگاپاسکال و دمای ۲۶۳۰ کلوین انجام شد و ساختاری از یخ را آشکار کرد که می‌تواند در اعماق سیارات غول‌پیکر یخی منظومه شمسی، یعنی اورانوس و نپتون، وجود داشته باشد.
آب برای زندگی روی زمین ماده‌ای حیاتی و آشنا است، اما رفتار آن در شرایط بسیار شدید می‌تواند کاملاً متفاوت با چیزی باشد که در زندگی روزمره تجربه می‌کنیم. آب در فشار و دمای معمولی به شکل مایع، جامد یا گاز دیده می‌شود، با این حال وقتی فشار به میلیون‌ها برابر فشار جو افزایش پیدا کند، مولکول‌ها و اتم‌های آن می‌توانند وارد وضعیت‌هایی شوند که نمونه‌ای از آن‌ها در طبیعت سطح زمین دیده نمی‌شود.
پژوهش تازه نیز به همین دنیای ناشناخته مربوط است. دانشمندان با فشردن نمونه‌ای بسیار کوچک از آب میان الماس‌ها و گرم‌کردن آن با لیزر، شرایطی مشابه محیط داخلی غول‌های یخی را بازسازی کردند. نتیجه، مشاهده شواهدی از ساختار موسوم به «فشرده‌شده شش‌گوشه» یا hcp در یخ ابر‌یونی بود؛ ساختاری که پیش‌تر از نظر نظری پیش‌بینی شده بود، اما شناسایی تجربی آن با چنین جزئیاتی دشوار بوده است.
چرا آب در فشارهای بسیار زیاد عجیب می‌شود؟
آب در شرایط عادی یکی از آشناترین مواد روی زمین است، اما حتی در همین شرایط نیز ویژگی‌هایی دارد که آن را از بسیاری از مایعات متمایز می‌کند. برای مثال، بیشتر مواد هنگام جامدشدن منقبض می‌شوند، در حالی که آب هنگام تبدیل‌شدن به یخ منبسط می‌شود و چگالی یخ از آب مایع کمتر می‌شود. همین ویژگی باعث می‌شود یخ روی سطح آب شناور بماند.
اما زمانی که فشار به میلیون‌ها برابر فشار جو برسد، قوانین رفتاری آب در مقیاس معمول دیگر تصویر کاملی از وضعیت آن ارائه نمی‌کنند. در چنین محیطی، اتم‌ها به‌شدت به یکدیگر نزدیک می‌شوند و آب می‌تواند به ساختارهای جامد متفاوتی تبدیل شود.
دانشمندان تاکنون حدود ۲۰ فاز مختلف برای یخ آب شناسایی کرده‌اند. هر فاز، آرایش خاصی از اتم‌ها دارد و در محدوده مشخصی از فشار و دما پایدار است. بنابراین واژه «یخ» فقط به ماده جامدی که در فریزر تولید می‌کنیم محدود نمی‌شود؛ در شرایط شدید، شکل‌های بسیار متفاوتی از یخ وجود دارند که ساختار اتمی و ویژگی‌های فیزیکی آن‌ها با یخ معمولی کاملاً فرق دارد.
برخی از این فازهای عجیب، در دما و فشار بسیار بالا می‌توانند به حالت «ابر‌یونی» برسند؛ حالتی که مرز میان جامد و مایع را به شکل غیرمعمولی تغییر می‌دهد.
یخ ابر‌یونی دقیقاً چیست؟
یخ ابر‌یونی را می‌توان یکی از شگفت‌انگیزترین حالت‌های شناخته‌شده آب دانست. در این وضعیت، بخشی از ساختار آب رفتاری شبیه یک جامد دارد و بخش دیگری از آن می‌تواند مانند یک مایع حرکت کند.
در ساختار ابر‌یونی، اتم‌های اکسیژن در جایگاه‌های مشخصی از یک شبکه بلوری قرار می‌گیرند. این شبکه می‌تواند بسیار منظم و سخت باشد و از این نظر شباهت زیادی به یک ماده جامد دارد. در مقابل، هیدروژن‌ها آزادی حرکتی بسیار بیشتری پیدا می‌کنند و می‌توانند در میان شبکه اکسیژن حرکت کنند.
به زبان ساده، می‌توان این حالت را شبکه‌ای سخت از اکسیژن‌ها تصور کرد که درون آن هسته‌های هیدروژن آزادانه‌تر جابه‌جا می‌شوند. همین تحرک یون‌های هیدروژن باعث می‌شود یخ ابر‌یونی بتواند ویژگی‌های الکتریکی متفاوتی داشته باشد.
این ویژگی فقط از نظر آزمایشگاهی جالب نیست. اگر چنین ماده‌ای واقعاً در اعماق اورانوس و نپتون وجود داشته باشد، می‌تواند بر نحوه حرکت بارهای الکتریکی درون این سیارات اثر بگذارد. همین موضوع برای توضیح میدان‌های مغناطیسی نامعمول این دو سیاره اهمیت دارد.
بازسازی شرایط درونی اورانوس و نپتون روی زمین
پژوهشگران برای بررسی این وضعیت، نمونه‌ای بسیار کوچک از آب را در دستگاهی موسوم به سلول الماس قرار دادند. در این روش، نمونه بین دو رأس الماس بسیار سخت فشرده می‌شود. الماس امکان ایجاد فشارهای فوق‌العاده زیاد را فراهم می‌کند و در عین حال اجازه می‌دهد پرتوهای مورد نیاز برای مطالعه ساختار ماده از نمونه عبور کنند.
در آزمایش جدید، فشار به حدود ۲۳۰ گیگاپاسکال رسید. این مقدار معادل تقریباً ۲٫۳ میلیون برابر فشار جو زمین در سطح دریاست. برای درک بزرگی این عدد، فشار در مرکز زمین حدود ۳۶۰ گیگاپاسکال برآورد می‌شود؛ بنابراین فشار ایجادشده در این آزمایش به محدوده‌ای نزدیک به شرایط بسیار عمیق سیارات و اجرام آسمانی وارد می‌شود.
اما فشار به‌تنهایی کافی نبود. پژوهشگران هم‌زمان نمونه آب را با لیزر گرم کردند تا دمای آن به هزاران درجه کلوین برسد. در مرحله نهایی، دما به ۲۶۳۰ کلوین افزایش یافت؛ دمایی که در فشار معمولی برای آب کاملاً غیرعادی است و انتظار می‌رود ماده در آن به حالت گازی درآید.
فشار عظیم، با جلوگیری از انبساط آزاد ماده، شرایط کاملاً متفاوتی ایجاد می‌کند. به همین دلیل نمونه آب در این آزمایش نه‌تنها به گاز تبدیل نشد، بلکه ساختار بلوری بسیار فشرده‌ای پیدا کرد.
پرتو ایکس چگونه ساختار یخ را آشکار کرد؟
یکی از دشوارترین بخش‌های چنین آزمایش‌هایی این است که دانشمندان نمی‌توانند مستقیماً ساختار اتم‌های نمونه را با چشم مشاهده کنند. برای حل این مشکل، از پرتو بسیار باریکی از اشعه ایکس سینکروترون استفاده شد.
پرتو ایکس هنگام برخورد با آرایش منظم اتم‌ها دچار پراش می‌شود. الگوی حاصل می‌تواند اطلاعات ارزشمندی درباره فاصله میان اتم‌ها و نحوه قرارگیری آن‌ها در شبکه بلوری ارائه کند. پژوهشگران با تحلیل این الگو توانستند تغییرات ساختار آب را هنگام افزایش فشار و دما دنبال کنند.
نتایج آزمایش به شناسایی ساختاری منجر شد که با نام hcp شناخته می‌شود. این عبارت کوتاه‌شده «hexagonal close-packed» است و به آرایش فشرده شش‌گوشه اتم‌ها اشاره دارد.
وجود چنین ساختاری برای دانشمندان اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا مدل‌های نظری پیش‌تر احتمال وجود یخ hcp را مطرح کرده بودند، اما شواهد آزمایشگاهی قطعی درباره آن در شرایط موردنظر محدود بود.
تفاوت ساختار hcp با fcc چیست؟
برای درک تفاوت میان hcp و fcc، می‌توان اتم‌ها را مانند مجموعه‌ای از توپ‌های یکسان تصور کرد که باید با کمترین فضای خالی کنار یکدیگر قرار بگیرند. وقتی یک لایه از توپ‌ها شکل گرفت، لایه بعدی را می‌توان روی آن قرار داد و سپس لایه‌های بعدی را با ترتیب‌های متفاوت چید.
هر دو ساختار hcp و fcc از آرایش‌های بسیار فشرده اتم‌ها هستند، اما نحوه قرارگیری لایه‌های آن‌ها با یکدیگر تفاوت دارد.
یکی از ساختارهای مرتبط با یخ ابر‌یونی که پیش‌تر در آزمایش‌ها مورد توجه قرار گرفته بود، ساختار مکعبی با وجوه مرکزپر یا fcc است. در این آرایش، لایه‌ها طبق الگویی خاص روی یکدیگر قرار می‌گیرند. در ساختار hcp، ترتیب لایه‌ها متفاوت است و همین تغییر ظاهراً می‌تواند ویژگی‌های فیزیکی ماده را نیز دگرگون کند.
نکته جالب این است که hcp و fcc الزاماً دو وضعیت کاملاً جدا و غیرقابل تبدیل نیستند. تغییر نحوه قرارگیری لایه‌های اتمی می‌تواند ماده را از یک آرایش به دیگری منتقل کند؛ فرایندی که تحت تأثیر فشار و دما قرار دارد.
ساختار یخ با افزایش فشار چگونه تغییر کرد؟
پژوهشگران در مراحل مختلف آزمایش، رفتار نمونه آب را در فشارها و دماهای متفاوت بررسی کردند. در فشار حدود ۱۵۵ گیگاپاسکال و دمای ۲۰۰۰ کلوین، الگوی پراش نشان داد که هر دو ساختار fcc و hcp در نمونه حضور دارند.
با افزایش فشار به حدود ۱۹۷ گیگاپاسکال و بالا رفتن دما تا ۲۲۵۰ کلوین، سهم ساختار hcp افزایش پیدا کرد. این تغییر نشان می‌داد که شرایط شدیدتر به نفع آرایش hcp است.
در مرحله نهایی، فشار به حدود ۲۱۹ گیگاپاسکال و دما به ۲۶۳۰ کلوین رسید. در این شرایط، تقریباً تمام نشانه‌های مربوط به ساختار fcc از الگوی پراش ناپدید شد و hcp به ساختار غالب تبدیل شد.
این نتایج نشان می‌دهند که افزایش فشار می‌تواند نقش مهمی در تثبیت ساختار hcp داشته باشد. بر اساس داده‌های آزمایش، فشارهای بالاتر از حدود ۲۰۰ گیگاپاسکال ممکن است محدوده‌ای باشند که در آن این آرایش برای یخ ابر‌یونی از نظر پایداری اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.
سرنخ تازه از آزمایش‌های قدیمی
یکی از بخش‌های جالب پژوهش جدید این بود که دانشمندان تنها به داده‌های آزمایش تازه اکتفا نکردند. آن‌ها نتایج آزمایش‌های قدیمی‌تر را نیز دوباره بررسی کردند.
در داده‌های قبلی، قله‌ای در الگوی پراش پرتو ایکس در فشارهای بالاتر از حدود ۱۳۰ گیگاپاسکال مشاهده شده بود که ماهیت دقیق آن مشخص نبود. پژوهشگران اکنون احتمال می‌دهند این علامت ناشناخته نیز می‌تواند مربوط به حضور ساختار hcp باشد.
این بازنگری نشان می‌دهد که گاهی اطلاعات مهم در داده‌های آزمایشگاهی قدیمی وجود دارد، اما تا زمانی که چارچوب نظری یا شواهد جدیدی برای تفسیر آن‌ها فراهم نشود، معنای دقیقشان روشن نمی‌شود.
در این مورد، آزمایش تازه امکان داد داده‌های پیشین از زاویه‌ای متفاوت بررسی شوند و سرنخ دیگری درباره شکل‌گیری یخ hcp به دست آید.
این کشف چه ارتباطی با اورانوس و نپتون دارد؟
اهمیت اصلی این یافته به احتمال وجود یخ ابر‌یونی در اعماق اورانوس و نپتون بازمی‌گردد. این دو سیاره در گروه غول‌های یخی منظومه شمسی قرار دارند و برخلاف زمین، ساختار درونی آن‌ها تحت تأثیر فشار و دمای بسیار زیاد قرار گرفته است.
در بخش‌های عمیق این سیارات، آب، آمونیاک و ترکیبات دیگر ممکن است در شرایطی قرار داشته باشند که در آزمایشگاه‌های معمولی روی زمین دست‌نیافتنی هستند. بنابراین مطالعه رفتار آب در فشارهای چند صد گیگاپاسکالی می‌تواند به دانشمندان کمک کند مدل‌های بهتری از بخش داخلی این سیارات بسازند.
یکی از ویژگی‌های مهم اورانوس و نپتون، میدان‌های مغناطیسی غیرمعمول آن‌ها است. میدان مغناطیسی این سیارات از نظر شکل و موقعیت با میدان مغناطیسی زمین تفاوت دارد و ساختار داخلی آن‌ها یکی از عوامل مهم برای توضیح این ویژگی به شمار می‌رود.
از آنجا که یخ ابر‌یونی می‌تواند رسانایی الکتریکی قابل‌توجهی داشته باشد، حرکت یون‌ها در آن ممکن است در فرایندهای تولید میدان مغناطیسی نقش داشته باشد. تفاوت میان رسانایی ساختارهای fcc و hcp می‌تواند بنابراین بر مدل‌های مربوط به انتقال بار و حرکت ماده در اعماق این سیارات اثر بگذارد.
آیا hcp حتماً در اورانوس و نپتون وجود دارد؟
با وجود اهمیت این یافته، هنوز نمی‌توان با قطعیت گفت که ساختار hcp دقیقاً در اعماق اورانوس یا نپتون وجود دارد. آزمایش‌های زمینی شرایطی را بازسازی می‌کنند که تصور می‌شود به محیط داخلی این سیارات شباهت دارد، اما ساختار واقعی آن‌ها بسیار پیچیده‌تر است.
ترکیب شیمیایی، فشار، دما، وجود عناصر و ترکیبات دیگر و نحوه توزیع مواد در داخل سیاره همگی می‌توانند بر وضعیت آب و یخ ابر‌یونی اثر بگذارند.
بنابراین یافته جدید را باید یک قطعه مهم از پازل دانست، نه پاسخ نهایی به معمای ساختار درونی غول‌های یخی. مدل‌های سیاره‌ای برای مشخص‌کردن اثر این ساختار به داده‌های بیشتری نیاز دارند.
هنوز پرسش‌های زیادی درباره این یخ وجود دارد
شناخت ساختار hcp تازه آغاز مسیر است. دانشمندان اکنون می‌خواهند بدانند این فاز دقیقاً در چه محدوده‌ای از فشار و دما پایدار باقی می‌ماند و چه زمانی به ساختارهای دیگر تبدیل می‌شود.
یکی دیگر از پرسش‌های مهم به ویژگی‌های مکانیکی آن مربوط است. مشخص‌کردن میزان شکل‌پذیری و مقاومت این نوع یخ می‌تواند به درک رفتار ماده در محیط‌های سیاره‌ای کمک کند.
رسانایی الکتریکی نیز اهمیت ویژه‌ای دارد. اگر تفاوت قابل‌توجهی میان رسانایی hcp و fcc وجود داشته باشد، این موضوع می‌تواند محاسبات مربوط به انتقال بار در اعماق اورانوس و نپتون را تغییر دهد.
از سوی دیگر، آزمایش‌های آینده باید محدوده دقیق گذار میان ساختارهای مختلف را مشخص کنند. مشخص‌شدن فشار و دمای لازم برای تبدیل fcc به hcp و برعکس، امکان مقایسه دقیق‌تر نتایج آزمایشگاهی با مدل‌های نظری سیارات غول‌پیکر را فراهم خواهد کرد.
یک گام دیگر برای شناخت آب در جهان
آب ممکن است روی زمین ماده‌ای بسیار آشنا باشد، اما رفتار آن در شرایط افراطی نشان می‌دهد که هنوز ابعاد ناشناخته زیادی دارد. کشف و مطالعه فازهای مختلف یخ، تصویری بسیار گسترده‌تر از این ماده ارائه کرده است؛ تصویری که از یخ معمولی فریزر تا حالت‌های ابر‌یونی در فشارهای میلیون‌ها برابر فشار جو را دربرمی‌گیرد.
بازسازی یخ hcp در شرایط شدید، اهمیت دیگری نیز دارد: این آزمایش نشان می‌دهد که بررسی مواد روی زمین می‌تواند اطلاعاتی درباره جهان‌های دوردست در اختیار ما بگذارد. دانشمندان با ایجاد فشار و دمای فوق‌العاده زیاد در آزمایشگاه، می‌توانند بخشی از محیطی را که احتمالاً در میلیاردها کیلومتر دورتر وجود دارد، بازسازی کنند.
البته هنوز نمی‌توان تمام ویژگی‌های یخ hcp را به‌طور کامل توضیح داد. برای پاسخ به این پرسش‌ها، ترکیبی از آزمایش‌های دقیق‌تر، شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای و مدل‌های نظری مورد نیاز است.
یافته‌های این پژوهش در نشریه Physical Review Letters منتشر شده‌اند و می‌توانند مسیر مطالعات آینده درباره فازهای ناشناخته آب، رفتار ماده در فشارهای فوق‌العاده زیاد و ساختار درونی اورانوس و نپتون را هموار کنند. آنچه امروز در آزمایشگاهی روی زمین به شکل نمونه‌ای بسیار کوچک از یخ مشاهده می‌شود، ممکن است در آینده به یکی از سرنخ‌های مهم برای توضیح رفتار شگفت‌انگیز ماده در اعماق سیارات دوردست تبدیل شود.
https://farcoland.com/EmNcx9
کپی آدرس
