Ο μαύρος, ζεστός πάγος μπορεί να είναι η πιο κοινή μορφή νερού της φύσης
Πρόσφατα στο Laboratory for Laser Energetics στο Μπράιτον της Νέας Υόρκης, ένα από τα πιο ισχυρά λέιζερ του κόσμου εκτόξευσε μια σταγόνα νερού, δημιουργώντας ένα ωστικό κύμα που ανέβασε την πίεση του νερού σε εκατομμύρια ατμόσφαιρες και τη θερμοκρασία του σε χιλιάδες βαθμούς. Οι ακτίνες Χ που ακτινοβολήθηκαν μέσω της σταγόνας στο ίδιο κλάσμα του δευτερολέπτου πρόσφεραν την πρώτη ματιά της ανθρωπότητας σε νερό κάτω από αυτές τις ακραίες συνθήκες.
Οι ακτίνες Χ αποκάλυψαν ότι το νερό μέσα στο ωστικό κύμα δεν έγινε υπερθερμασμένο υγρό ή αέριο. Παραδόξως — αλλά ακριβώς όπως περίμεναν οι φυσικοί που κοιτούσαν τις οθόνες σε ένα διπλανό δωμάτιο — τα άτομα πάγωσαν στερεά, σχηματίζοντας κρυσταλλικό πάγο.
«Ακούτε τον πυροβολισμό», είπε ο Marius Millot του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Livermore στην Καλιφόρνια και «αμέσως βλέπετε ότι κάτι ενδιαφέρον συνέβαινε». Ο Millot συνοδήγησε το πείραμα με τη Federica Coppari, επίσης του Lawrence Livermore.
Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν σήμερα στο Nature , επιβεβαιώνουν την ύπαρξη του «υπεριονικού πάγου», μιας νέας φάσης νερού με παράξενες ιδιότητες. Σε αντίθεση με τον γνωστό πάγο που βρίσκεται στον καταψύκτη σας ή στον βόρειο πόλο, ο υπεριονικός πάγος είναι μαύρος και καυτός. Ένας κύβος του θα ζύγιζε τέσσερις φορές περισσότερο από έναν κανονικό. Είχε προβλεφθεί για πρώτη φορά θεωρητικά πριν από περισσότερα από 30 χρόνια, και παρόλο που δεν έχει ξαναφανεί μέχρι τώρα, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι μπορεί να είναι μια από τις πιο άφθονες μορφές νερού στο σύμπαν.
Σε όλο το ηλιακό σύστημα, τουλάχιστον, περισσότερο νερό υπάρχει πιθανώς ως υπεριονικός πάγος - που γεμίζει το εσωτερικό του Ουρανού και του Ποσειδώνα - από οποιαδήποτε άλλη φάση, συμπεριλαμβανομένης της υγρής μορφής που χύνεται στους ωκεανούς στη Γη, την Ευρώπη και τον Εγκέλαδο. Η ανακάλυψη του υπεριονικού πάγου λύνει πιθανώς γρίφους δεκαετιών σχετικά με τη σύνθεση αυτών των κόσμων «γιγάντων πάγου».
Συμπεριλαμβανομένης της εξαγωνικής διάταξης των μορίων του νερού που βρίσκονται στον κοινό πάγο, γνωστή ως "πάγος Ih », οι επιστήμονες είχαν ήδη ανακαλύψει 18 συγκλονιστικές αρχιτεκτονικές κρυστάλλων πάγου. Μετά τον πάγο Ι, που έρχεται σε δύο μορφές, Ih και εγώγ , τα υπόλοιπα αριθμούνται από ΙΙ έως XVII κατά σειρά ανακάλυψής τους. (Ναι, υπάρχει ένα Ice IX, αλλά υπάρχει μόνο κάτω από επινοημένες συνθήκες, σε αντίθεση με τη φανταστική ουσία του Doomsday στο μυθιστόρημα του Kurt Vonnegut Cat’s Cradle .)
Ο υπεριονικός πάγος μπορεί τώρα να διεκδικήσει τον μανδύα του Πάγου XVIII. Είναι ένα νέο κρύσταλλο, αλλά με μια ανατροπή. Όλοι οι προηγουμένως γνωστοί πάγοι νερού αποτελούνται από άθικτα μόρια νερού, το καθένα με ένα άτομο οξυγόνου συνδεδεμένο με δύο υδρογόνα. Αλλά ο υπεριονικός πάγος, επιβεβαιώνουν οι νέες μετρήσεις, δεν είναι έτσι. Υπάρχει σε ένα είδος σουρεαλιστικό κενό, εν μέρει στερεό, εν μέρει υγρό. Μεμονωμένα μόρια νερού διασπώνται. Τα άτομα οξυγόνου σχηματίζουν ένα κυβικό πλέγμα, αλλά τα άτομα υδρογόνου χύνονται ελεύθερα, ρέοντας σαν υγρό μέσα από τον άκαμπτο κλωβό των οξυγόνων.
Οι ειδικοί λένε ότι η ανακάλυψη του υπεριονικού πάγου δικαιώνει προβλέψεις υπολογιστών, οι οποίες θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους φυσικούς του υλικού να δημιουργήσουν μελλοντικές ουσίες με ειδικές ιδιότητες. Και η εύρεση του πάγου απαιτούσε εξαιρετικά γρήγορες μετρήσεις και λεπτό έλεγχο της θερμοκρασίας και της πίεσης, προωθώντας πειραματικές τεχνικές. «Όλα αυτά δεν θα ήταν δυνατά, ας πούμε, πριν από πέντε χρόνια», είπε ο Christoph Salzmann στο University College του Λονδίνου, ο οποίος ανακάλυψε τους πάγους XIII, XIV και XV. "Θα έχει τεράστιο αντίκτυπο, σίγουρα."
Ανάλογα με το ποιον ρωτάτε, ο υπεριονικός πάγος είναι είτε άλλη μια προσθήκη στην ήδη γεμάτη συστοιχία avatar του νερού είτε κάτι ακόμα πιο περίεργο. Επειδή τα μόρια του νερού του διασπώνται, είπε ο φυσικός Livia Bove του Εθνικού Κέντρου Επιστημονικής Έρευνας της Γαλλίας και του Πανεπιστημίου Pierre and Marie Curie, δεν είναι μια εντελώς νέα φάση του νερού. "Είναι πραγματικά μια νέα κατάσταση της ύλης", είπε, "η οποία είναι μάλλον θεαματική."
Puzzles Put on Ice
Οι φυσικοί αναζητούν τον υπεριονικό πάγο για χρόνια — από τότε που μια πρωτόγονη προσομοίωση υπολογιστή με επικεφαλής τον Pierfranco Demontis το 1988 προέβλεψε ότι το νερό θα έπαιρνε αυτή την παράξενη, σχεδόν μεταλλική μορφή, αν το ωθούσες πέρα από τον χάρτη των γνωστών φάσεων πάγου.
Υπό ακραία πίεση και θερμότητα, πρότειναν οι προσομοιώσεις, τα μόρια του νερού σπάνε. Με τα άτομα οξυγόνου κλειδωμένα σε ένα κυβικό πλέγμα, «τα υδρογόνα τώρα αρχίζουν να πηδούν από τη μια θέση στον κρύσταλλο στην άλλη, και πηδούν ξανά και ξαναπηδούν», είπε ο Μίλοτ. Τα άλματα μεταξύ των τοποθεσιών του πλέγματος είναι τόσο γρήγορα που τα άτομα υδρογόνου — τα οποία ιονίζονται, καθιστώντας τα ουσιαστικά θετικά φορτισμένα πρωτόνια — φαίνεται να κινούνται σαν υγρό.
Αυτός ο προτεινόμενος υπεριονικός πάγος θα άγγιζε ηλεκτρισμό, όπως ένα μέταλλο, με τα υδρογόνα να παίζουν τον συνήθη ρόλο των ηλεκτρονίων. Το να αναβλύζουν αυτά τα χαλαρά άτομα υδρογόνου θα ενίσχυε επίσης τη διαταραχή ή την εντροπία του πάγου. Με τη σειρά του, αυτή η αύξηση της εντροπίας θα έκανε αυτόν τον πάγο πολύ πιο σταθερό από άλλα είδη παγοκρυστάλλων, προκαλώντας το σημείο τήξης του να εκτιναχθεί προς τα πάνω.
Αλλά όλα αυτά ήταν εύκολο να τα φανταστείς και δύσκολο να τα εμπιστευτείς. Τα πρώτα μοντέλα χρησιμοποίησαν απλοποιημένη φυσική, κουνώντας το χέρι τους μέσα από την κβαντική φύση των πραγματικών μορίων. Οι μεταγενέστερες προσομοιώσεις αναδιπλώθηκαν σε περισσότερα κβαντικά εφέ, αλλά παρέκαμψαν τις πραγματικές εξισώσεις που απαιτούνται για την περιγραφή πολλαπλών κβαντικών σωμάτων που αλληλεπιδρούν, τα οποία είναι πολύ δύσκολο υπολογιστικά να επιλυθούν. Αντίθετα, βασίστηκαν σε προσεγγίσεις, αυξάνοντας την πιθανότητα ότι το όλο σενάριο θα μπορούσε να είναι απλώς ένας αντικατοπτρισμός σε μια προσομοίωση. Τα πειράματα, εν τω μεταξύ, δεν μπορούσαν να κάνουν τις απαιτούμενες πιέσεις χωρίς επίσης να παράγουν αρκετή θερμότητα για να λιώσουν ακόμη και αυτή η ανθεκτική ουσία.
Καθώς το πρόβλημα σιγοβράζει, ωστόσο, οι πλανητικοί επιστήμονες ανέπτυξαν τις δικές τους κρυφές υποψίες ότι το νερό μπορεί να έχει μια υπεριονική φάση πάγου. Ακριβώς την εποχή που είχε προβλεφθεί για πρώτη φορά η φάση, το σκάφος Voyager 2 είχε πλεύσει στο εξωτερικό ηλιακό σύστημα, αποκαλύπτοντας κάτι περίεργο σχετικά με τα μαγνητικά πεδία των γιγάντων του πάγου Ουρανού και Ποσειδώνα.
Τα πεδία γύρω από τους άλλους πλανήτες του ηλιακού συστήματος φαίνεται να αποτελούνται από έντονα καθορισμένους βόρειους και νότιους πόλους, χωρίς πολύ άλλη δομή. Είναι σχεδόν σαν να έχουν απλώς μαγνήτες ράβδων στα κέντρα τους, ευθυγραμμισμένους με τους άξονες περιστροφής τους. Οι πλανητικοί επιστήμονες το θεωρούν "δυναμό":εσωτερικές περιοχές όπου αγώγιμα ρευστά ανεβαίνουν και στροβιλίζονται καθώς ο πλανήτης περιστρέφεται, φυτρώνοντας τεράστια μαγνητικά πεδία.
Αντίθετα, τα μαγνητικά πεδία που προέρχονταν από τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα φαίνονταν πιο ογκώδη και πιο περίπλοκα, με περισσότερους από δύο πόλους. Επίσης, δεν ευθυγραμμίζονται τόσο στενά με την περιστροφή των πλανητών τους. Ένας τρόπος για να το παραχθεί αυτό θα ήταν να περιοριστεί με κάποιο τρόπο το αγώγιμο υγρό που είναι υπεύθυνο για το δυναμό σε ένα λεπτό εξωτερικό κέλυφος του πλανήτη, αντί να το αφήσουμε να φτάσει κάτω στον πυρήνα.
Αλλά η ιδέα ότι αυτοί οι πλανήτες μπορεί να έχουν συμπαγείς πυρήνες, οι οποίοι δεν είναι ικανοί να δημιουργήσουν δυναμό, δεν φαινόταν ρεαλιστική. Αν τρυπούσατε σε αυτούς τους γίγαντες πάγου, θα περιμένατε να συναντήσετε πρώτα ένα στρώμα ιοντικού νερού, το οποίο θα ρέει, θα διεξάγει ρεύματα και θα συμμετέχει σε ένα δυναμό. Αφελώς, φαίνεται ότι ακόμα πιο βαθύ υλικό, σε ακόμη υψηλότερες θερμοκρασίες, θα ήταν επίσης ένα ρευστό. «Πάντα έκανα αστεία ότι δεν υπάρχει περίπτωση το εσωτερικό του Ουρανού και του Ποσειδώνα να είναι πραγματικά συμπαγές», είπε η Sabine Stanley στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins. "Αλλά τώρα αποδεικνύεται ότι μπορεί να είναι στην πραγματικότητα."
Ice on Blast
Τώρα, επιτέλους, οι Coppari, Millot και η ομάδα τους συγκέντρωσαν τα κομμάτια του παζλ.
Σε ένα προηγούμενο πείραμα, που δημοσιεύθηκε τον περασμένο Φεβρουάριο, οι φυσικοί δημιούργησαν έμμεσα στοιχεία για τον υπεριονικό πάγο. Έστριψαν μια σταγόνα νερού σε θερμοκρασία δωματίου ανάμεσα στα μυτερά άκρα δύο κομμένων διαμαντιών. Μέχρι τη στιγμή που η πίεση αυξήθηκε σε περίπου ένα γιγαπασκάλ, περίπου 10 φορές εκείνη στον πυθμένα της τάφρου των Μαριανών, το νερό είχε μεταμορφωθεί σε έναν τετραγωνικό κρύσταλλο που ονομάζεται πάγος VI. Κατά περίπου 2 γιγαπασκάλ, είχε μετατραπεί σε πάγο VII, μια πιο πυκνή, κυβική μορφή διαφανής στο γυμνό μάτι που οι επιστήμονες ανακάλυψαν πρόσφατα ότι υπάρχει επίσης σε μικροσκοπικές τσέπες μέσα σε φυσικά διαμάντια.
Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας το λέιζερ OMEGA στο Laboratory for Laser Energetics, ο Millot και οι συνεργάτες του στόχευσαν τον πάγο VII, ακόμα ανάμεσα σε αδαμαντοφόρους άκμονες. Καθώς το λέιζερ χτυπούσε την επιφάνεια του διαμαντιού, εξατμίστηκε το υλικό προς τα πάνω, εκτοξεύοντας ουσιαστικά το διαμάντι προς την αντίθετη κατεύθυνση και στέλνοντας ένα ωστικό κύμα μέσω του πάγου. Η ομάδα του Millot βρήκε ότι ο υπερπιεσμένος πάγος της είχε λιώσει στους 4.700 βαθμούς Κελσίου, περίπου όπως αναμενόταν για τον υπεριονικό πάγο, και ότι όντως αγώγησε ηλεκτρισμό χάρη στην κίνηση των φορτισμένων πρωτονίων.
Με αυτές τις προβλέψεις για τις χύδην ιδιότητες του υπεριονικού πάγου να έχουν κατασταλάξει, η νέα μελέτη με επικεφαλής τους Coppari και Millot έκανε το επόμενο βήμα επιβεβαίωσης της δομής του. "Εάν θέλετε πραγματικά να αποδείξετε ότι κάτι είναι κρυσταλλικό, τότε χρειάζεστε περίθλαση ακτίνων Χ", είπε ο Salzmann.
Το νέο τους πείραμα παρέλειψε εντελώς τους πάγους VI και VII. Αντίθετα, η ομάδα απλώς έσπασε νερό με εκρήξεις λέιζερ ανάμεσα σε άκμονα διαμαντιών. Δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου αργότερα, καθώς τα κρουστικά κύματα κυματίζονταν και το νερό άρχισε να κρυσταλλώνεται σε παγάκια μεγέθους νανομέτρων, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν 16 ακόμη ακτίνες λέιζερ για να εξατμίσουν μια λεπτή λωρίδα σιδήρου δίπλα στο δείγμα. Το καυτό πλάσμα που προέκυψε πλημμύρισε το κρυσταλλοποιούμενο νερό με ακτίνες Χ, οι οποίες στη συνέχεια διαθλάστηκαν από τους κρυστάλλους πάγου, επιτρέποντας στην ομάδα να διακρίνει τη δομή τους.
Τα άτομα στο νερό είχαν αναδιαταχθεί στην από καιρό προβλεφθείσα αλλά απαρατήρητη αρχιτεκτονική, Ice XVIII:ένα κυβικό πλέγμα με άτομα οξυγόνου σε κάθε γωνία και στο κέντρο κάθε προσώπου. «Είναι μια σημαντική ανακάλυψη», είπε ο Coppari.
"Το γεγονός ότι η ύπαρξη αυτής της φάσης δεν είναι ένα τεχνούργημα κβαντικών μοριακών δυναμικών προσομοιώσεων, αλλά είναι πραγματικό - αυτό είναι πολύ ανακουφιστικό", είπε ο Bove.
Και αυτό το είδος επιτυχημένου διασταυρούμενου ελέγχου πίσω από προσομοιώσεις και πραγματικό υπεριονικό πάγο υποδηλώνει ότι το απόλυτο «όνειρο» των ερευνητών της φυσικής υλικών μπορεί να είναι σύντομα εφικτό. «Πες μου ποιες ιδιότητες θέλεις σε ένα υλικό και θα πάμε στον υπολογιστή και θα καταλάβουμε θεωρητικά τι υλικό και τι είδους κρυσταλλική δομή θα χρειαζόσουν», είπε ο Raymond Jeanloz, μέλος της ομάδας ανακάλυψης που εδρεύει στο Πανεπιστήμιο. Καλιφόρνια, Μπέρκλεϋ. "Η ευρύτερη κοινότητα πλησιάζει."
Οι νέες αναλύσεις υποδηλώνουν επίσης ότι, αν και ο υπεριονικός πάγος όντως άγει κάποιο ηλεκτρισμό, είναι ένα χυλό στερεό. Θα έρεε με την πάροδο του χρόνου, αλλά δεν θα ανακατευόταν πραγματικά. Μέσα στον Ουρανό και τον Ποσειδώνα, λοιπόν, τα ρευστά στρώματα μπορεί να σταματήσουν περίπου 8.000 χιλιόμετρα κάτω στον πλανήτη, όπου ξεκινά ένας τεράστιος μανδύας νωθρού, υπεριονικού πάγου όπως η ομάδα του Μίλοτ που παρήγαγε. Αυτό θα περιόριζε τις περισσότερες ενέργειες δυναμό σε μικρότερα βάθη, λαμβάνοντας υπόψη τα ασυνήθιστα πεδία των πλανητών.
Άλλοι πλανήτες και φεγγάρια στο ηλιακό σύστημα πιθανότατα δεν φιλοξενούν τις σωστές εσωτερικές γλυκές κηλίδες θερμοκρασίας και πίεσης για να επιτρέψουν τον υπεριονικό πάγο. Ωστόσο, πολλοί εξωπλανήτες σε μέγεθος γίγαντα πάγου μπορεί, γεγονός που υποδηλώνει ότι η ουσία θα μπορούσε να είναι κοινή μέσα σε παγωμένους κόσμους σε όλο τον γαλαξία.
Φυσικά, όμως, κανένας πραγματικός πλανήτης δεν περιέχει μόνο νερό. Οι γίγαντες πάγου στο ηλιακό μας σύστημα αναμειγνύονται επίσης σε χημικά είδη όπως το μεθάνιο και η αμμωνία. Ο βαθμός στον οποίο η υπεριονική συμπεριφορά στην πραγματικότητα εμφανίζεται στη φύση «θα εξαρτηθεί από το εάν αυτές οι φάσεις εξακολουθούν να υπάρχουν όταν αναμιγνύουμε νερό με άλλα υλικά», είπε ο Stanley. Μέχρι στιγμής, αυτό δεν είναι σαφές, αν και άλλοι ερευνητές υποστήριξαν ότι θα πρέπει να υπάρχει και υπεριονική αμμωνία.
Εκτός από την επέκταση της έρευνάς τους σε άλλα υλικά, η ομάδα ελπίζει επίσης να συνεχίσει να μηδενίζει την παράξενη, σχεδόν παράδοξη δυαδικότητα των υπεριονικών κρυστάλλων τους. Απλώς η σύλληψη του πλέγματος των ατόμων οξυγόνου «είναι ξεκάθαρα το πιο δύσκολο πείραμα που έχω κάνει ποτέ», είπε ο Millot. Δεν έχουν δει ακόμη την απόκοσμη, διάμεση ροή πρωτονίων μέσα από το πλέγμα. "Τεχνολογικά, δεν είμαστε ακόμα εκεί", είπε ο Coppari, "αλλά το πεδίο αναπτύσσεται πολύ γρήγορα."
