کشف یک نوع جدید «یخ» که آب نمی‌شود!

خبرآنلاین: محققان در حال مطالعه شکل غیرعادی از یخ هستند که در دمای محیط آب نمی‌شود.

یخ، حتی اگر تنها از مولکول‌های آب تشکیل شده باشد، در اشکال مختلفی وجود دارد. دانشمندان تاکنون بیش از ۲۰ ساختار جامد یا «فاز» منحصربه‌فرد از یخ را شناسایی کرده‌اند که هر کدام دارای آرایش مولکولی خاص خود هستند. انواع مختلف یخ با اعداد رومی (مانند یخ I، یخ II، و یخ III) نام‌گذاری می‌شوند.

اکنون یک تیم بین‌المللی به رهبری دانشمندان مؤسسه تحقیقات استاندارد و علوم کره (KRISS)، یک فاز کاملاً جدید به نام یخ XXI را کشف کرده‌اند. این تیم با استفاده از تأسیسات پیشرفته اشعه ایکس در European XFEL و PETRA III، ساختار ناشناخته این یخ را ثبت و تجزیه و تحلیل کردند. 

یخ XXI شبیه هیچ شکل دیگری از یخ که تاکنون مشاهده شده نیست. این یخ زمانی تشکیل می‌شود که آب مایع تحت فشردگی سریع قرار گیرد و چیزی را که دانشمندان آن را «آب فوق‌فشرده» می‌نامند، در دمای اتاق ایجاد می‌کند. این فاز، یک فاز نیمه‌پایدار (Metastable) است؛ به این معنی که این یخ در شرایطی می‌تواند سالم بماند که قاعدتا نوع دیگری از یخ باید در همان شرایط پایدارتر باشد. این کشف، اطلاعات جدید و ارزشمندی را در مورد نحوه رفتار و دگرگونی یخ تحت فشار شدید ارائه می‌دهد. 

پیچیدگی یک مولکول ساده

آب یا H۲​O، با وجود اینکه فقط از دو عنصر تشکیل شده، پیچیدگی قابل توجهی را در حالت جامد خود نشان می‌دهد. بیشتر فازهای یخ در فشارهای بالا و دماهای پایین مشاهده می‌شوند. این تیم تحقیقاتی اطلاعات بیشتری در مورد چگونگی تشکیل و تغییر فازهای مختلف یخ با فشار کسب کرده‌اند. 

گون وو لی، دانشمند KRISS، توضیح می‌دهد که فشردگی سریع آب اجازه می‌دهد تا در فشارهای بالاتر همچنان مایع باقی بماند، در حالی که در آن فشارها قبلاً باید به یخ VI تبدیل شده باشد. یخ VI یک فاز به شدت جذاب است که گمان می‌رود در فضای داخلی ماه‌های یخی مانند تیتان و گانیمد وجود داشته باشد. ساختار بسیار تحریف‌شده آن ممکن است مسیرهای گذار پیچیده‌ای را ایجاد کند که منجر به فازهای یخ نیمه‌پایدار می‌شوند. 

از آنجایی که بیشتر گونه‌های یخ فقط در شرایط بسیار سخت و تحت فشار زیاد وجود دارند، محققان شرایط فشار زیاد را با استفاده از سلول‌های سندان الماسی (Diamond Anvil Cells) ایجاد کردند. در این مورد، آب بین دو الماس قرار داده می‌شود که به دلیل سختی آن‌ها می‌توان از آن‌ها برای ایجاد فشار بسیار زیاد استفاده کرد. آب تحت فشار تا دو گیگاپاسکال مورد بررسی قرار گرفت که حدود ۲۰.۰۰۰ برابر فشار هوای معمولی است. این فشار باعث می‌شود یخ حتی در دمای اتاق نیز تشکیل شود، اما مولکول‌ها بسیار متراکم‌تر از یخ معمولی در کنار هم قرار بگیرد. 

در این محفظه، یخ XXI با استفاده از سلول‌های سندان الماسی (Diamond Anvil Cells) تولید شده و سپس با استفاده از پالس‌های شدید و فوق‌کوتاه اشعه ایکس European XFEL مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. 

برای مشاهده تشکیل یخ تحت شرایط فشار متفاوت، محققان ابتدا فشار بالای دو گیگاپاسکال را در عرض ۱۰ میلی‌ثانیه (یک میلی‌ثانیه یک هزارم ثانیه است) ایجاد کردند. سپس فشار سلول سندان را در یک دوره ۱ ثانیه‌ای آزاد کردند و این فرآیند را تکرار کردند. در طول این چرخه‌ها، تیم از فلاش‌های اشعه ایکس European XFEL استفاده کرد تا هر میکروثانیه (یک میلیونیم ثانیه) از نمونه عکس بگیرد. با نرخ فوق‌العاده بالای پالس‌های اشعه ایکس (که مانند یک دوربین با سرعت بالا عمل می‌کند)، آن‌ها توانستند فیلم‌هایی از نحوه تشکیل ساختار یخ بسازند. 

سپس، محققان با استفاده از خط پرتو P۰۲.۲ در PETRA III، تعیین کردند که یخ XXI دارای یک ساختار بلوری تتراگونال است که از واحدهای تکراری و به‌طور شگفت‌انگیزی بزرگی به نام سلول‌های واحد (Unit Cells) ساخته شده است. 

لی توضیح می‌دهد که با استفاده از پالس‌های منحصر به فرد اشعه ایکس European XFEL، محققان توانسته‌اند مسیرهای تبلور متعددی را در آب (H۲​O) کشف کنند. این مسیرها پس از بیش از ۱۰۰۰ بار فشرده‌سازی و آزاد کردن فشار نمونه توسط یک سلول سندان الماسی دینامیکی ایجاد شده‌اند. کورنلیوس استروم از تیم DESY HIBEF که این تجهیزات را در European XFEL پیاده‌سازی کرده است، بیان می‌کند که در این سلول فشار خاص، نمونه‌ها بین نوک دو سندان الماسی مقابل هم فشرده می‌شوند و می‌توان آن‌ها را در طول یک مسیر فشار از پیش تعریف‌شده فشرده کرد. 

لی همچنین می‌گوید ساختاری که آب مایع در آن متبلور می‌شود، به درجه فوق‌فشردگی مایع بستگی دارد. ریچل هاسبند از تیم DESY HIBEF نیز توضیح می‌دهد یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد که احتمال وجود تعداد بیشتری از فازهای یخ نیمه‌پایدار در دمای بالا و مسیرهای گذار مرتبط با آن‌ها وجود دارد که به‌طور بالقوه دید تازه‌ای در مورد ترکیب ماه‌های یخی ارائه می‌دهد. 

هر دو مرکز DESY از طریق همکاری با مرکز علم آب مولکولی و European XFEL از طریق برنامه Water Call در تلاش برای درک بهتر آب هستند. ساکورا پاسکارلی، مدیر علمی European XFEL، خاطرنشان می‌کند که این یک دستاورد بزرگ دیگر از برنامه Water Call است که از دانشمندان دعوت می‌کند تا مطالعات نوآورانه‌ای را در مورد آب پیشنهاد دهند.