Αποκαλύπτοντας τον Εξωτικό Πάγο:Οι επιστήμονες ανακαλύπτουν νέες και περίπλοκες δομές πάγου

Ο πάγος έρχεται σε περισσότερες μορφές από ό,τι θα βρείτε σε έναν καταψύκτη ή έναν παγετώνα. Από το 1900, οι επιστήμονες έχουν παρατηρήσει περισσότερες από 20 φάσεις πάγου, πολλές από τις οποίες διαμορφώθηκαν κάτω από ακραίες συνθήκες. Ο αυξανόμενος κατάλογος περιλαμβάνει ζεστό πάγο και ακόμη και πάγο που μεταφέρει ηλεκτρισμό.

Ο πάγος είναι το όνομα για οποιαδήποτε φάση του νερού που είναι στερεή και κρυσταλλική, που σημαίνει ότι έχει επαναλαμβανόμενη μοριακή δομή. Την τελευταία δεκαετία, οι προσομοιώσεις σε υπολογιστή έχουν προβλέψει δεκάδες χιλιάδες πιθανές μορφές πάγου. Αν και είναι ασυνήθιστο στον πλανήτη μας, ο εξωτικός πάγος μπορεί να υπάρχει σε περιβάλλοντα εκτός της Γης, από κρύες και άμορφες ουρές κομητών μέχρι τους θερμούς και συνθλίβοντες πυρήνες παγωμένων πλανητών.

Καθώς οι φυσικοί δοκιμάζουν το νερό με βελτιωμένες πειραματικές τεχνικές, συνεχίζουν να βρίσκουν εκπλήξεις. «Παίρνεις νερό και ακριβώς όπως το συμπιέζεις - λίγο πιο γρήγορα, λίγο πιο αργά, πάνω-κάτω, στη σωστή χρονική κλίμακα - και μετά μπορείς να βρεις αυτήν την εντελώς απροσδόκητη συμπεριφορά», είπε ο Marius Millot, ερευνητής στο Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) στην Καλιφόρνια.

Εγκαταλείποντας παλιές υποθέσεις και εφαρμόζοντας νέες τεχνικές, οι επιστήμονες ανακάλυψαν τρία νέα είδη πάγου τον περασμένο χρόνο, συμπεριλαμβανομένων δύο από τις πιο περίπλοκες φάσεις πάγου που έχουν δει ποτέ. «Φαίνεται μια αξιοσημείωτη στιγμή αυτή τη στιγμή», δήλωσε ο Chris Pickard, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Cambridge. "Βρίσκουν πραγματικά πολύ περισσότερες από αυτές τις δομές."

Space Oddity

Το σχήμα του νερού το καθιστά εξαιρετικά ευέλικτο. Η μοριακή του δομή μπορεί να συναρμολογηθεί σε πολλές πιθανές διαμορφώσεις.

Κάθε μόριο νερού μοιάζει με μια κεντρική μονάδα με τέσσερις βραχίονες που απλώνονται μεταξύ τους από την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Η κεντρική μονάδα είναι ένα άτομο οξυγόνου. Σε αυτό είναι συνδεδεμένα δύο άτομα υδρογόνου και δύο ζεύγη ελεύθερων ηλεκτρονίων που έχουν απομείνει σαν επιπλέον άκρα προεξέχουν.

Mark Belan/Quanta Magazine

Στην πιο κοινή μορφή πάγου, αυτά τα δομικά στοιχεία συνδυάζονται για να σχηματίσουν μια κλουβιά εξαγωνική δομή. Η ευρυχωρία αυτής της διάταξης κάνει τον τυπικό πάγο λιγότερο πυκνό από το υγρό νερό. Αυτός είναι ο λόγος που ο πάγος επιπλέει και γιατί τα υδάτινα σώματα παγώνουν από την κορυφή προς τα κάτω, επιτρέποντας στην υποβρύχια ζωή να επιβιώσει τον χειμώνα.

Βάλτε το νερό υπό πίεση, ωστόσο, και το σχήμα του μπορεί να συμπιεστεί και να επικαλύπτεται σε μια φαινομενικά ατελείωτη αφθονία πιθανών μοτίβων. Επειδή μπορεί να πάρει τόσες πολλές διαφορετικές μορφές, «η φυσική και η χημεία του νερού μπορεί να είναι εντελώς διαφορετικές» από το ένα περιβάλλον στο άλλο, είπε η Livia Bove, φυσικός στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Λωζάνης. "Είναι τοπολογικά όμορφο."

Το 2018, μια διεθνής ερευνητική ομάδα από την Ευρώπη και την Ιαπωνία δημιούργησε μια φιλόδοξη προσομοίωση υπολογιστή της δυναμικής των μορίων του νερού που είχε ως στόχο να προβλέψει μη ανακαλυφθείσες μορφές πάγου. Το αποτέλεσμα ήταν ένας κατάλογος με περισσότερες από 75.000 φάσεις, καθεμία χαρακτηριζόμενη από έναν ελαφρώς διαφορετικό τρόπο με τον οποίο τα μόρια του νερού μπορούσαν να ταιριάζουν μεταξύ τους όταν υποβάλλονται σε διαφορετικό συνδυασμό θερμοκρασίας και πίεσης.

Η ομάδα της Livia Bove ανακάλυψε πρόσφατα έναν τύπο «πλαστικού» πάγου που πιστεύεται ότι υπάρχει στους πυρήνες των παγωμένων φεγγαριών.

Ευγενική προσφορά της Livia E. Bove

Στην πραγματικότητα, οι επιστήμονες δεν περιμένουν να βρουν τόσες πολλές φάσεις. μόνο και μόνο επειδή μια δομή είναι μαθηματικά δυνατή δεν σημαίνει ότι θα σχηματιστεί στη φύση. "Υπάρχει πάντα λίγη αβεβαιότητα που σχετίζεται με τους ισχυρισμούς για την ύπαρξη νέων φάσεων όταν βασίζονται αποκλειστικά σε προσομοιώσεις", έγραψε η Federica Coppari, φυσικός στο LLNL, σε ένα email.

Ορισμένες φάσεις θα απαιτούσαν μια γελοία ποσότητα ενέργειας για να σχηματιστούν. Άλλα είναι τόσο εύθραυστα που θα κατέρρεαν αμέσως. Οι επιστήμονες προσπαθούν να περιορίσουν τις προβλέψεις τους μόνο σε αυτές που φαίνονται βιώσιμες. «Φιλτράρεται σε λιγότερα από αυτά», είπε ο Pickard, ο οποίος εργάστηκε στην προσομοίωση. "Αλλά η πραγματικότητα είναι ότι δεν ξέρουμε ακριβώς πώς να τοποθετήσουμε αυτό το φίλτρο."

Για να ανακαλύψουν τις μορφές που πραγματικά παίρνει ο πάγος, οι επιστήμονες κατευθύνονται στο εργαστήριο.

Υπό πίεση

Το 2018, ο Yong-Jae Kim ήταν μεταδιδακτορικός στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Προτύπων και Επιστήμης της Κορέας (KRISS) που μελετούσε πώς το νερό σε θερμοκρασία δωματίου μετατρέπεται σε πάγο υπό ακραία πίεση. Το πείραμα περιελάμβανε τη συμπίεση μιας σταγόνας νερού ανάμεσα σε δύο διαμάντια και τη μελέτη της μεταβαλλόμενης μοριακής δομής του με απεικόνιση υψηλής ταχύτητας και άλλες τεχνικές ανάλυσης.

Διαβάζοντας τα δεδομένα από το πείραμα, η Kim παρατήρησε αυτό που στην αρχή φαινόταν σαν λάθος. Για μόλις μερικές δεκάδες χιλιοστά του δευτερολέπτου, ο πάγος φαινόταν να χάνει τη δομή του, διαλύοντας σε ένα χάος μορίων πριν μεταβεί στην επόμενη φάση του. Η Κιμ ανησυχούσε ότι ο ιδρώτας ή η βρωμιά είχαν μολύνει το νερό. «Σε εκείνο το στάδιο, ένιωσα περισσότερο άγχος παρά ενθουσιασμένος», είπε. Μοιράστηκε την παρατήρηση με την υπόλοιπη ομάδα του, αλλά τελείωσε ο χρόνος για να το παρακολουθήσει.

Το 2025, οι ερευνητές στο KRISS έτρεξαν μια βελτιωμένη έκδοση του ίδιου πειράματος χρησιμοποιώντας το σύστημα διαμαντιών του Kim και κατάφεραν να αναδημιουργήσουν την παράξενη δομή. Ήταν τόσο περίπλοκο που στην αρχή φαινόταν σχεδόν τυχαίο. "Αλλά βγείτε έξω", είπε η Κιμ, "και βλέπουμε τη δομή μακροσκοπικά. Έχει μια περιοδικότητα."

Οι ερευνητές μετέφεραν την εγκατάστασή τους στην Ευρωπαϊκή Εγκατάσταση Λέιζερ Ελεύθερων ακτίνων Χ στη Γερμανία, η οποία στεγάζει ένα λέιζερ που επιταχύνει τα ηλεκτρόνια μέσω μιας σήραγγας μήκους 3,4 χιλιομέτρων και στη συνέχεια τα στέλνει μέσω ειδικών μαγνητών για να παράγει εκρήξεις ακτίνων Χ. "Όσο πιο φωτεινές είναι οι δέσμες των ακτίνων Χ, τόσο καλύτερες εικόνες παίρνετε από τις κρυσταλλικές δομές σας", είπε ο Pickard.

Οι επιστήμονες έριξαν ακτίνες λέιζερ υψηλής ισχύος μέσω του πάγου και μέτρησαν τον τρόπο διασποράς των ακτίνων. Οι περισσότερες φάσεις του πάγου στέλνουν τις ακτίνες να αναπηδούν σε μερικές διαφορετικές κατευθύνσεις, αφού τα κρυσταλλικά τους σχέδια επαναλαμβάνονται μετά από μερικά μόρια. Αλλά αυτό το δείγμα έστειλε το φως σε περίπου 15 διαφορετικά μονοπάτια. Όταν οι επιστήμονες ανέλυσαν τις εικόνες, ο αριθμός των μορίων στο κρυσταλλικό σχέδιο έφτασε τα 152. Η παρατήρηση της δομής από την ομάδα χάρισε στη φάση του πάγου ένα επίσημο ρωμαϊκό όνομα, πάγος XXI.

Επιπλέον, η νέα φάση ήταν μια απόλυτη έκπληξη. Η ομάδα έψαξε τις δεκάδες χιλιάδες φάσεις που είχε προβλέψει η ομάδα του Pickard σε αναζήτηση ενός αγώνα, αλλά δεν βρήκε έναν. Η επαναλαμβανόμενη δομή του πάγου XXI, αποδείχθηκε, ήταν πέρα ​​από το μέγεθος στο οποίο η προσομοίωση περιόρισε την αναζήτησή της. «Βασικά βρήκαν κάτι πολύ πιο περίπλοκο από εμάς», είπε ο Pickard.

Εν αγνοία της ομάδας KRISS, μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο της Οκαγιάμα είχε πράγματι προβλέψει τη δομή σε μια διαφορετική, στενότερη προσομοίωση που δημιουργήθηκε επίσης το 2018. Η πιο εστιασμένη προσομοίωση προέβλεψε δύο επιπλέον φάσεις πάγου που δεν έχουν ανακαλυφθεί ακόμη.

Αλλαγές

Οι ερευνητές στο KRISS και ο Kim, τώρα στο LLNL, δεν είχαν ξεκινήσει να ανακαλύψουν μια νέα φάση πάγου. Αντίθετα, ήθελαν να διερευνήσουν μια άλλη παράξενη ιδιότητα του νερού, που σχετίζεται με το πώς μεταβαίνει από φάση σε φάση. Η κλασική θεωρία των μεταπτώσεων φάσης προβλέπει ότι οποιοδήποτε σύστημα θα επιστρέψει στη χαμηλότερη ενεργειακή του κατάσταση. Αλλά το νερό δεν ακολουθεί πάντα τις προβλέψεις.

Για παράδειγμα, το δείγμα του Kim δεν ανταποκρίθηκε στο συμπίεση του από τη συσκευή διαμαντιού πηδώντας κατευθείαν στην πιο σταθερή του κατάσταση, η οποία σε αυτό το επίπεδο πίεσης θα ήταν μια μορφή που ονομάζεται πάγος VI. Αντίθετα, πήδηξε από το νερό στον πάγο XXI και μετά στον πάγο VII. Αυτές οι ενδιάμεσες φάσεις ονομάζονται μετασταθερές καταστάσεις και η ύπαρξή τους δείχνει ότι ορισμένες μεταβάσεις φάσης συμβαίνουν σε βήματα και όχι όλες ταυτόχρονα.

Οι μετασταθερές καταστάσεις του νερού υποστηρίζουν μια θεωρία μετάβασης φάσης που ονομάζεται κανόνας βημάτων του Ostwald, που ονομάστηκε από τον Wilhelm Ostwald, έναν Γερμανό φυσικοχημικό και συνομήλικο του Albert Einstein. (Αρχικά ο Αϊνστάιν απορρίφθηκε για δουλειά στο εργαστήριο του Ostwald, αλλά οι δυο τους αργότερα έγιναν φίλοι και ο Ostwald πρότεινε τελικά τον Αϊνστάιν για το βραβείο Νόμπελ.) Ο κανόνας βημάτων του Ostwald υποδηλώνει ότι τα συστήματα μεταβαίνουν στην πιο κοντινή και πιο εύκολα προσβάσιμη κατάσταση φάσης και όχι στην πιο θερμοδυναμικά σταθερή. "Είναι πολύ παράδοξο το γεγονός ότι μερικές φορές η πιο εύκολη [πολιτεία] να σχηματιστεί είναι αυτή που είναι λιγότερο σταθερή", είπε ο Pickard.

Μια ομάδα με επικεφαλής τον Hiroki Kobayashi του Πανεπιστημίου του Τόκιο έχει ήδη παρακολουθήσει την ανακάλυψη του πάγου XXI, όπως αναφέρεται σε ένα προεκτυπωμένο άρθρο, αναδημιουργώντας τον χρησιμοποιώντας διαφορετικές τεχνικές. Στη διαδικασία, ανακάλυψαν μια κοντινή φάση —που τώρα ονομάζεται πάγος XXII— που είναι ακόμη πιο περίπλοκη, επαναλαμβάνοντας το μοτίβο της μόνο κάθε 304 μόρια.

Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, η ομάδα βρήκε επίσης έναν τρόπο να παράγει αξιόπιστα τον πάγο IV, μια μετασταθερή φάση πάγου τόσο άπιαστη που έχει κερδίσει το όνομα "will-o'-the-wisp", σύμφωνα με τα φανταστικά φώτα που δελεάζουν τους ταξιδιώτες στις λαϊκές ιστορίες.

Καθώς οι επιστήμονες παρατηρούν περισσότερες μετασταθερές καταστάσεις, συλλέγουν στοιχεία ότι αυτή η εφαρμογή της θεωρίας του Ostwald περιγράφει με ακρίβεια πώς λειτουργούν οι μεταβάσεις φάσης, όχι μόνο στον πάγο αλλά σε άλλα είδη κρυστάλλων, συμπεριλαμβανομένων αυτών που χρησιμοποιούνται στην ιατρική. Η αλλαγή της φάσης ενός φαρμακευτικού φαρμάκου μπορεί να αλλάξει την αποτελεσματικότητά του, κάτι από το οποίο πρέπει να προστατεύσουν τα εργοστάσια. «Μερικές φορές τα ναρκωτικά μπορούν να μετατραπούν από τη μια [φάση] στην άλλη και μετά να καταστρέψουν ολόκληρη την παρτίδα», είπε ο Pickard. Η θεωρία του Ostwald βοηθά να προβλέψουμε πότε μπορεί να συμβεί αυτό.

Let’s Dance

Το 2025, η ομάδα του Bove στη Λωζάνη ανακάλυψε μια μικρότερη αλλά κατά κάποιο τρόπο πιο περίεργη μετασταθή φάση πάγου. Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature , ανέφεραν την πρώτη παρατήρηση πλαστικού πάγου VII. Αυτή είναι μια παραλλαγή του πάγου VII, μιας φάσης πάγου υψηλής πίεσης, που εμφανίζεται όταν ο πάγος θερμαίνεται στους 500 βαθμούς Κελσίου.