یخ داغ اَبَریونیک حالت جدیدی از ماده است - آسمان تو

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

این آب سیاه و عجیب که یخ فرایونیزه (Superionic Ice) نامیده می گردد، تحت فشارها و دمایی مشابه با آنچه در مرکز زمین وجود دارد نهاده شد. واقعیتی که می تواند به زودی به دانشمندان یاری کند تا اسرار پنهان در هسته های دنیا های دیگر را درک نمایند.

پیش از این محققان از امواج ضربه ای برای ایجاد این یخ عجیب تنها به مدت 20 نانوثانیه پیش از حل شدن، استفاده می کردند. اما این آزمایش تازه که نتایج آن 14 اکتبر (22 مهر) در نشریه نیچر فیزیکس (Nature Physics) منتشر شده، نخستین باری است که دانشمندان یخ فوق پایداری ایجاد نموده اند که به مقدار ای طول می کشد که بتوان جزئیات آن را آنالیز کرد.

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

مایع، بخار و یخ رایج ترین حالت های آب هستند اما مولکول های آب بعلاوه می توانند در ترتیب های دیگری که نشان دهنده فازهای دیگر است، ته نشین شوند. در حقیقت دانشمندان تا به امروز 20 فاز یخ آب را شناسایی نموده اند. روش های گوناگونی که اتم های هیدروژن و اکسیژن پیوند خورده اند و می توانند تحت دما و فشارهای مختلف روی هم قرار بگیرند.

برای نمونه یخ 6 (ice VI) و یخ 7 (ice VII) مولکول هایی دارند که به ترتیب خود را به صورت منشور یا مکعب-مستطیل می چینند یا یخ 11 (ice XI) اگر در میدان مغاطیسی قرار بگیرد، جهت مولکول ها را تغییر می دهد و یخ 19 (ice XIX) شنماینده است و فقط اتم های هیدروژن آن یک الگوی منظم را تشکیل می دهند.

یخ فوق داغ و با فشار بالا، هجدهمین فاز یخی است که کشف شده و یکی از عجیب ترین فازهاست. به این علت که اتم های اکسیژن آن مانند یک جامد در جای خود قفل می شوند اما اتم های هیدروژن آن پس از رها کردن الکترون های خود به یون هایی (هسته های اتمی که از الکترون هایشان جدا شده اند و درنتیجه بار مثبت دارند) تبدیل می شوند که آزادانه در یخ جریان می یابند، مانند اینکه مایع باشند.

پراکاپنکا گفت: یک مکعب، یک شبکه با اتم های اکسیژن که گوشه های متصل به هیدروژن است را تصور کنید. هنگامی که به فاز فرایونی تازه تبدیل می گردد، شبکه منبسط می گردد و به اتم های هیدروژن امکان می دهد تا به اطراف حرکت نمایند؛ در حالی که اتم های اکسیژن در موقعیت خود ثابت می مانند. این اتم های هیدروژن شناور، به روشی قابل پیش بینی مانع از عبور نور از یخ می شوند و ظاهری سیاه به آن می بخشند.

نظریه 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 2018 برای نخستین بار پیروز شدند شواهدی از آن را بیابند.

آن ها با بمباران کردن یک قطره آب به یاری موج ضربه ای پرفشار توید شده به وسیله لیزر، به دما و فشار لازم برای ظاهر شدن لحظه ای یخ فوق یونی دست یافتند و حتی رسانایی الکتریکی یخ را مقدار گیری و پیش از آنکه ذوب گردد، ساختار آن را در چند نانوثانیه مشاهده کردند.

برای انجام مقدار گیری های دقیق تر، پراکاپنکا و همکارانش احتیاج داشتند تا یخ ابرداغ پایدارتری ایجاد نمایند. بنابراین آن ها قطره آب خود را با سندان الماس 0.2 قیراطی فشرده و سپس آن را با لیزر بمباران کردند. سختی الماس باعث می گردد سندان قطره را تا 3.5 میلیون برابر فشار اتمسفر زمین تحت فشار قرار دهد و لیزر آن را تا دمایی گرم تر از سطح خورشید داغ کند.

سپس با یک دستگاه شتاب دهنده الکترون با نام سینکروترون، این تیم پژوهشی فوتون های پرتو ایکس را به سوی قطره پرتاب کرد و با مقدار گیری شدت و زاویه های پرتوهای ایکس که به وسیله اتم های داخل یخ پراکنده شده بودند، ساختار یخ اَبَرداغ را شناسایی کردند.

این روش نسبت به آزمایش موج شوک، به پژوهشگران چارچوب زمانی طولانی تری، در محدوده میکروثانیه، برای مشاهده یخ خود داد. این زمان اضافی به این معنی بود که آن ها می توانستند انتقال فازهای قطره آب را هنگام تبدیل شدن به یخ فوق یونی به دقت ثبت نمایند.

مطالعه بیشتر این پدیده می تواند به دانشمندان یاری کند تا خواص یخ را بهتر درک نمایند و شرایطی را که تحت آن فازهای مختلف یخ در طبیعت رخ می دهند، درک نمایند. از آنجایی که یون های هیدروژن شناور آزاد می توانند میدان مغناطیسی ایجاد نمایند، پژوهشگران نمی دانند که آیا در هسته سیاره هایی مانند نپتون و اورانوس، یا در دریاهای یخ زده اروپا قمر مشتری که دارای پوسته یخی است، یخ های فرایونیزه مدفون شده اند یا خیر؟

اگر چنین باشد، یخ ها می توانند نقشی کلیدی در القای الکترومغناطیسی کره هایی داشته باشند که این دنیا ها یا دنیا های بیگانه فراسوی منظومه شمسی را دربر گرفته اند. از آنجایی که مغناطیس سپهر (مگنتوسفر) هم به نوبه خود مسؤول حفاظت از سیارات در برابر تابش های زیان بار خورشیدی و پرتوهای کیهانی است، دانستن چگونگی و مکان شکل گیری یخ سوپریونیک می تواند راهنمای بسیار خوبی برای دانشمندانی باشد که در جست وجوی حیات بیگانه هستند.

هم اکنون ویژگی های بیشتری از این یخ تازه، مانند رسانایی، گرانروی و پایداری شیمیایی برای کاوش وجود دارد که در نهایت به پیش بینی محل شکل گیری این یخ در طبیعت یاری خواهند کرد.

به گفته پراکاپنکا این حالت تازهی از ماده است، بنابراین اساسا به عنوان یک ماده تازه عمل می نماید و ممکن است با آنچه در فکر داشته ایم متفاوت باشد.

عکس کاور: طرحی گرافیکی از شکل گیری یخ فرایونیزه اَبَرداغ سیاه

Credit: Lawrence Livermore National Laboratory illustration / Millot, Coppari, Hamel, Krauss

منبع: Live Science