دانشمندان نوعی یخ بسیار عجیب را در شرایطی بازسازی کردهاند که در آن آب باید مدتها پیش به بخار تبدیل میشد؛ یخی که در دمای چند هزار درجه شکل میگیرد، اما زیر فشار خردکنندهی میلیونها اتمسفر پایدار میماند. این فاز تازهشناساییشده از یخ ابریونی میتواند کلید فهم ساختار درونی اورانوس و نپتون باشد.
یخ ابریونی چیست و چرا اهمیت دارد؟
آب در زندگی روزمره رفتاری آشنا دارد، اما از نظر فیزیکی یکی از شگفتانگیزترین مواد جهان است. با یخزدن، چگالیاش کم میشود، نقطه جوش بالایی دارد و تاکنون حدود ۲۰ فاز بلوری مختلف از آن شناسایی شده است. در فشارهای بسیار بالا، آب میتواند شکلهایی به خود بگیرد که هیچ شباهتی به یخ قطبی زمین ندارند.
یخ ابریونی یکی از همین حالتهای نامتعارف است؛ حالتی نه کاملاً جامد و نه کاملاً مایع. در این حالت، اتمهای اکسیژن در یک شبکه بلوری سخت و ثابت قفل میشوند، درست مانند یک جامد، اما هستههای هیدروژن (پروتونها) آزادانه در میان این شبکه حرکت میکنند و رفتاری شبیه به مایع از خود نشان میدهند. نتیجه، مادهای با رسانایی یونی بالا و خواص الکتریکی ویژه است.
اهمیت این ماده فراتر از کنجکاوی آزمایشگاهی است. پژوهشگران گمان میکنند مقادیر عظیمی از یخ ابریونی در اعماق اورانوس و نپتون وجود دارد و همین رسانایی و تحرک بار الکتریکی میتواند در شکلگیری میدانهای مغناطیسی بسیار نامنظم، نامتقارن و کجشدهی این دو غول یخی نقش داشته باشد.
آزمایش در فشار ۲.۳ میلیون اتمسفر
به گزارش ساینسآلرت، تیمی به سرپرستی الکسیس فورستیه از کمیسیون انرژیهای جایگزین و انرژی اتمی فرانسه (CEA) نمونههای بسیار کوچکی از آب را در شرایطی قرار دادند که برای شبیهسازی درون سیارات غولیخی طراحی شده بود.
نمونهها بین دو سندان الماسی فشرده شدند و فشار تا ۲۳۰ گیگاپاسکال افزایش یافت؛ فشاری معادل حدود ۲.۳ میلیون برابر فشار جو در سطح دریا. برای مقایسه، فشار در مرکز زمین حدود ۳۶۰ گیگاپاسکال است. همزمان، لیزرها نمونه را تا دمای ۲۶۳۰ کلوین (بیش از ۲۳۵۰ درجه سانتیگراد) گرم کردند؛ شرایطی که در فشار عادی، آب را بیدرنگ تبخیر میکند، اما فشار عظیم مانع انبساط و تبخیر آن شد.
برای دیدن آنچه درون این محفظهی کوچک میگذرد، پژوهشگران از پرتو بسیار باریک پرتو ایکس سینکروترون استفاده کردند. الگوی پراش پرتو ایکس به آنها اجازه داد آرایش اتمهای اکسیژن و تغییرات فازی را بهصورت زنده رصد کنند.
ساختار جدید ششگوشه فشرده (hcp)
نتیجهی بررسیها، مشاهدهی ساختاری بود که پیشتر تنها بهصورت نظری پیشبینی شده بود اما هرگز بهطور قطعی در آزمایش دیده نشده بود: یخ با شبکهی ششگوشه فشرده یا hcp.
برای درک تفاوت، چینش توپهای یکسان در چند لایه را تصور کنید. اگر بخواهید بیشترین فشردگی را داشته باشید، میتوانید لایهها را به دو روش اصلی روی هم بچینید. یکی از فازهای شناختهشدهی قبلی یخ ابریونی، ساختار مکعبی با وجوه مرکزپر (fcc) دارد. در فاز جدید hcp، لایههای اتمی اکسیژن با ترتیبی متفاوت روی هم قرار میگیرند. پژوهشگران نشان دادند که با افزایش فشار و دما، لایهها میتوانند بلغزند و یک ساختار به دیگری تبدیل شود.
گرمکردن بلور hcp نشانههای واضحی از رفتار ابریونی را در حدود ۱۷۰۰ کلوین نشان داد؛ یعنی پروتونها در این دما شروع به حرکت آزاد در شبکهی اکسیژنی کردند.
روند تبدیل بهخوبی در دادهها دیده شد:
- در ۱۵۵ گیگاپاسکال و ۲۰۰۰ کلوین، الگوی پراش ترکیبی از هر دو فاز fcc و hcp را نشان میداد.
- در ۱۹۷ گیگاپاسکال و ۲۲۵۰ کلوین سهم hcp بهطور محسوسی افزایش یافت.
- در ۲۱۹ گیگاپاسکال و ۲۶۳۰ کلوین تقریباً تمام نشانههای fcc ناپدید شد و hcp به فاز غالب تبدیل شد.
بررسی مجدد دادههای قدیمیتر نیز سرنخ جالبی به دست داد؛ قلهای ناشناخته در الگوی پراش که پیشتر در فشارهای بالاتر از ۱۳۰ گیگاپاسکال دیده شده و بیهویت مانده بود، احتمالاً همان فاز hcp بوده است که در آن زمان درست تفسیر نشده بود.
پیامدها برای غولهای یخی
به گفتهی پژوهشگران، فشارهای بالاتر از حدود ۲۰۰ گیگاپاسکال میتواند hcp را به آرایش پایدارتر یخ ابریونی در اعماق سیارات تبدیل کند. هرچند این تغییر در مقیاس اتمی و در جابهجایی لایهها رخ میدهد، اما پیامدهای آن در مقیاس سیارهای بزرگ است.
مهمترین تفاوت، رسانایی الکتریکی متفاوت دو فاز است. اگر درون اورانوس و نپتون لایهای ضخیم از یخ hcp وجود داشته باشد، نحوهی انتقال گرما، حرکت ماده و جابهجایی بار الکتریکی در آن لایه تغییر میکند. همین تفاوت میتواند توضیح دهد چرا میدان مغناطیسی این دو سیاره تا این حد پیچیده، کج و چندقطبی است، برخلاف میدان نسبتاً منظم زمین و مشتری.
این یافته همچنین به مدلسازی دقیقتر تحول حرارتی و دینامیک داخلی غولهای یخی کمک میکند و مرز پایداری فازهای مختلف یخ را در نمودار فشار-دما روشنتر میسازد.
چه چیزی هنوز نمیدانیم؟
با وجود این کشف مهم، ویژگیهای دقیق فاز hcp همچنان ناشناخته است. پژوهشگران تأکید میکنند که برای شناخت کامل، مطالعات نظری و آزمایشهای بیشتری نیاز است؛ بهویژه اندازهگیری دقیق رسانایی یونی و شکلپذیری مکانیکی و تعیین مرزهای دقیق پایداری این فاز در برابر fcc در دامنهی وسیعی از فشار و دما.
یافتههای این پژوهش در ژورنال معتبر Physical Review Letters منتشر شده و گامی مهم در نقشهبرداری از دنیای شگفتانگیز فازهای آب در شرایط فرازمینی به شمار میرود.
دیدگاهها (0)
هنوز دیدگاهی ثبت نشده است.