یخ داغ اَبَریونیک حالت جدیدی از ماده است

در بررسی ویژگی‌های متفاوت و فازهای آب، دانشمندان موفق شدند حالت جدیدی از یخ را تحت فشار و دمای بسیار بالا ایجاد کنند که به یخ فرایونیزه‌ی اَبَرداغ معروف است.

دانشمندان یک قطره آب را بین دو الماس فشرده کردند و آن را با یکی از قدرتمندترین لیزرهای جهان تا دمایی به اندازه‌ی ستارگان داغ کردند که نتیجه یک فاز جدید و رازآلود از آب بود.

این آب سیاه و عجیب که «یخ فرایونیزه» (Superionic Ice) نامیده می‌شود، تحت فشارها و دمایی مشابه با آنچه در مرکز زمین وجود دارد قرار گرفت. واقعیتی که می‌تواند به‌زودی به دانشمندان کمک کند تا اسرار پنهان در هسته‌های جهان‌های دیگر را درک کنند.

پیش از این محققان از امواج ضربه‌ای برای ایجاد این یخ عجیب تنها به مدت ۲۰ نانوثانیه پیش از حل شدن، استفاده می‌کردند. اما این آزمایش جدید که نتایج آن ۱۴ اکتبر (۲۲ مهر) در نشریه‌ی «نیچر فیزیکس» (Nature Physics) منتشر شده، نخستین باری است که دانشمندان یخ فوق پایداری ایجاد کرده‌اند که به‌اندازه‌ای طول می‌کشد که بتوان جزئیات آن را بررسی کرد.

«ویتالی پراکاپنکا» (Vitali Prakapenka) از دانشگاه شیکاگو و یکی از نویسندگان این مطالعه گفت: «غافلگیرکننده بود. همه فکر می‌کردند که این فاز تا زمانی که در فشار بسیار بالاتری نسبت به جایی که برای اولین بار آن را یافتیم، قرار نگیریم، ظاهر نمی‌شود.»

مایع، بخار و یخ رایج‌ترین حالت‌های آب هستند اما مولکول‌های آب همچنین می‌توانند در ترتیب‌های دیگری که نشان‌دهنده‌ی فازهای دیگر است، ته‌نشین شوند. در حقیقت دانشمندان تاکنون ۲۰ فاز یخ آب را شناسایی کرده‌اند. روش‌های گوناگونی که اتم‌های هیدروژن و اکسیژن پیوند خورده‌اند و می‌توانند تحت دما و فشارهای مختلف روی هم قرار بگیرند.

برای نمونه «یخ ۶» (ice VI) و «یخ ۷» (ice VII) مولکول‌هایی دارند که به ترتیب خود را به صورت منشور یا مکعب-مستطیل می‌چینند یا «یخ ۱۱» (ice XI) اگر در میدان مغاطیسی قرار بگیرد، جهت مولکول‌ها را تغییر می‌دهد و «یخ ۱۹» (ice XIX) شکننده است و فقط اتم‌های هیدروژن آن یک الگوی منظم را تشکیل می‌دهند.

یخ فوق داغ و با فشار بالا، هجدهمین فاز یخی است که کشف شده و یکی از عجیب‌ترین فازهاست. به این دلیل که اتم‌های اکسیژن آن مانند یک جامد در جای خود قفل می‌شوند اما اتم‌های هیدروژن آن پس از رها کردن الکترون‌های خود به یون‌هایی (هسته‌های اتمی که از الکترون‌هایشان جدا شده‌اند و درنتیجه بار مثبت دارند) تبدیل می‌شوند که آزادانه در یخ جریان می‌یابند، مانند اینکه مایع باشند.

پراکاپنکا گفت: «یک مکعب، یک شبکه با اتم‌های اکسیژن که گوشه‌های متصل به هیدروژن است را تصور کنید. هنگامی که به فاز فرایونی جدید تبدیل می‌شود، شبکه منبسط می‌شود و به اتم‌های هیدروژن امکان می‌دهد تا به اطراف حرکت کنند؛ در حالی که اتم‌های اکسیژن در موقعیت خود ثابت می‌مانند.» این اتم‌های هیدروژن شناور، به روشی قابل پیش‌بینی مانع از عبور نور از یخ می‌شوند و ظاهری سیاه به آن می‌بخشند.

نظریه‌ی وجود یخ فوق یونی را برای نخستین بار گروهی به سرپرستی استاد دانشگاه ساساری، «پیرفرانکو دمونتیس» (Pierfranco Demontis) ارائه کردند و پژوهشگران آزمایشگاه ملی لاورنس لیورمور هم در سال ۲۰۱۸ برای نخستین بار موفق شدند شواهدی از آن را بیابند.

آن‌ها با بمباران کردن یک قطره آب به کمک موج ضربه‌ای پرفشار توید شده توسط لیزر، به دما و فشار لازم برای ظاهر شدن لحظه‌ای یخ فوق یونی دست یافتند و حتی رسانایی الکتریکی یخ را اندازه‌گیری و پیش از آنکه ذوب شود، ساختار آن را در چند نانوثانیه مشاهده کردند.

سندان الماس و لیزی
Credit: M. MILLOT/E. KOWALUK/J.WICKBOLDT/LLNL/LLE/NIF

برای انجام اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر، پراکاپنکا و همکارانش نیاز داشتند تا یخ ابرداغ پایدارتری ایجاد کنند. بنابراین آن‌ها قطره‌ی آب خود را با سندان الماس ۰٫۲ قیراطی فشرده و سپس آن را با لیزر بمباران کردند. سختی الماس باعث می‌شود سندان قطره را تا ۳٫۵ میلیون برابر فشار اتمسفر زمین تحت فشار قرار دهد و لیزر آن را تا دمایی گرم‌تر از سطح خورشید داغ کند.

سپس با یک دستگاه شتاب‌دهنده‌ی الکترون با نام سینکروترون، این تیم پژوهشی فوتون‌های پرتو ایکس را به سوی قطره پرتاب کرد و با اندازه‌گیری شدت و زاویه‌های پرتوهای ایکس که توسط اتم‌های داخل یخ پراکنده شده بودند، ساختار یخ اَبَرداغ را شناسایی کردند.

این روش نسبت به آزمایش موج شوک، به پژوهشگران چارچوب زمانی طولانی‌تری، در محدوده‌ی میکروثانیه، برای مشاهده‌ی یخ خود داد. این زمان اضافی به این معنی بود که آن‌ها می‌توانستند انتقال فازهای قطره‌ی آب را هنگام تبدیل شدن به یخ فوق یونی به دقت ثبت کنند.

مطالعه‌ی بیشتر این پدیده می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا خواص یخ را بهتر درک کنند و شرایطی را که تحت آن فازهای مختلف یخ در طبیعت رخ می‌دهند، درک کنند. از آنجایی که یون‌های هیدروژن شناور آزاد می‌توانند میدان مغناطیسی ایجاد کنند، پژوهشگران نمی‌دانند که آیا در هسته‌ی سیاره‌هایی مانند نپتون و اورانوس، یا در دریاهای یخ زده‌ی اروپا قمر مشتری که دارای پوسته‌ی یخی است، یخ‌های فرایونیزه مدفون شده‌اند یا خیر؟

اگر چنین باشد، یخ‌ها می‌توانند نقشی کلیدی در القای الکترومغناطیسی کره‌هایی داشته باشند که این جهان‌ها یا جهان‌های بیگانه‌ی فراسوی منظومه‌ی شمسی را دربر گرفته‌اند. از آنجایی که مغناطیس‌سپهر (مگنتوسفر) هم به نوبه‌ی خود مسؤول حفاظت از سیارات در برابر تابش‌های زیان‌بار خورشیدی و پرتوهای کیهانی است، دانستن چگونگی و مکان شکل‌گیری یخ سوپریونیک می‌تواند راهنمای بسیار خوبی برای دانشمندانی باشد که در جست‌وجوی حیات بیگانه هستند.

هم‌اکنون ویژگی‌های بیشتری از این یخ جدید، مانند رسانایی، گرانروی و پایداری شیمیایی برای کاوش وجود دارد که در نهایت به پیش‌بینی محل شکل‌گیری این یخ در طبیعت کمک خواهند کرد.

به گفته‌ی پراکاپنکا این حالت جدیدی از ماده است، بنابراین اساسا به‌عنوان یک ماده‌ی جدید عمل می‌کند و ممکن است با آنچه در ذهن داشته‌ایم متفاوت باشد.

عکس کاور: طرحی گرافیکی از شکل‌گیری یخ فرایونیزه‌ی اَبَرداغ سیاه
Credit: Lawrence Livermore National Laboratory illustration / Millot, Coppari, Hamel, Krauss

منبع: Live Science