یخ عجیب و جدید: چرا این نوع یخ هرگز آب نمی‌ شود؟

 گروهی بین‌المللی از دانشمندان به سرپرستی پژوهشگران مؤسسه تحقیقات استاندارد و علوم کره (KRISS) موفق به کشف نوع جدیدی از یخ شدند که به عنوان یخ XXI شناخته می‌شود. این تیم با بهره‌گیری از پیشرفته‌ترین تجهیزات اشعه ایکس در تأسیسات European XFEL و PETRA III، ساختار ویژه این نوع یخ را شناسایی و مورد تحلیل قرار دادند.

یخ XXI شکل و ساختاری کاملاً متفاوت از تمامی اشکال یخی است که تاکنون دیده شده‌اند. این نوع یخ، وقتی شکل می‌گیرد که آب مایع تحت فشار بسیار شدید و سریع قرار گیرد و حالتی به نام «آب فوق‌فشرده» را در دمای اتاق ایجاد کند. این نوع یخ در دسته فازهای نیمه‌پایدار (Metastable) قرار می‌گیرد، به این معنی که در شرایط خاصی پایدار می‌ماند، حتی زمانی که شکل دیگری از یخ باید در همان شرایط ترجیحاً تشکیل شود. این کشف نوین اطلاعات تازه‌ای درباره رفتار و تغییرات یخ تحت فشارهای شدید ارائه می‌کند.

چهره پیچیده یک مولکول ساده

هرچند آب تنها از دو عنصر هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده، اما در حالت جامد خود پیچیدگی‌های شگفت‌انگیزی را آشکار می‌کند. بیشتر انواع یخ در فشار بالا و دمای پایین شناسایی می‌شوند. این پژوهشگران موفق به درک چگونگی تشکیل و تغییر فازهای مختلف یخ در شرایط فشار شده‌اند.

گون وو لی، از دانشمندان KRISS، توضیح می‌دهد که فشرده‌سازی سریع آب این امکان را ایجاد می‌کند که در سطوح بالاتر فشار همچنان به صورت مایع باقی بماند، در حالی که در آن شرایط باید به یخ VI تبدیل می‌شد. یخ VI یکی از فازهای بسیار جذابی است که تصور می‌شود در اعماق ماه‌های یخی مانند تیتان و گانیمد وجود داشته باشد. ساختار پیچیده این نوع یخ می‌تواند مسیرهای گذار متعددی ایجاد کند که منجر به تشکیل فازهای نیمه‌پایدار مانند یخ XXI شود.

از آنجا که اکثر فازهای یخ فقط در شرایط بسیار سخت و تحت فشار زیاد شکل می‌گیرند، پژوهشگران از دستگاه‌های سندان الماسی (Diamond Anvil Cells) برای شبیه‌سازی این شرایط استفاده کردند. در این تحقیق، آب بین دو الماس قرار گرفت که با ایجاد فشار فوق‌العاده بالا (تا دو گیگاپاسکال، معادل ۲۰۰۰۰ برابر فشار هوای معمولی)، یخ حتی در دمای اتاق نیز تشکیل شد. این نوع یخ از نظر تراکم با یخ‌های معمولی بسیار متفاوت است.

شیوه مشاهده این یخ جدید با فناوری روز

یخ XXI در آزمایشی پیشرفته با بهره‌گیری از سلول‌های سندان الماسی تولید، و با کمک پالس‌های قوی و کوتاه‌مدت اشعه ایکس در European XFEL تحلیل شد. برای شبیه‌سازی شرایط تشکیل، فشار دو گیگاپاسکالی روی نمونه طی زمان اندکی (۱۰ میلی‌ثانیه) ایجاد و سپس در طول ۱ ثانیه آزاد شد. این فرآیند بارها تکرار شد تا محققان بتوانند ساختار یخ را مشاهده و تحلیل کنند.

پژوهشگران با تجهیزات اشعه ایکس مشابه یک دوربین با سرعت بالا، تصاویری دقیق از روند تشکیل یخ ثبت کردند. در ادامه، با استفاده از دستگاه PETRA III مشخص شد که یخ XXI دارای ساختاری کریستالی از نوع تتراگونال است که از واحدهایی تکراری با اندازه‌های بزرگ تشکیل شده است.

جون وو لی اظهار داشت که پالس‌های پیشرفته اشعه ایکس European XFEL به کشف روندهای متبلور شدن مختلف در آب منجر شده‌اند. طی این آزمایش‌ها، سلول‌ الماسی دینامیکی بیش از ۱۰۰۰ بار در معرض فشار و آزادسازی قرار گرفت و نمونه به شیوه‌های گوناگون فشرده شد.

افزایش احتمالات و فرصت‌ها

تحقیقات نشان می‌دهد شرایط فوق‌فشرده در آب می‌تواند ساختارهایی متفاوت از یخ را ایجاد کند. یافته‌های این پژوهش نه فقط برای درک ساختار یخ‌های نیمه‌پایدار، بلکه برای کشف اسرار درون ماه‌های یخی مانند تیتان و گانیمد نیز بسیار ارزشمند است.

مرکز DESY و European XFEL از طریق برنامه علمی خود با هدف پیشبرد مرزهای دانش درباره آب، به دستاوردهای این پژوهشگران کمک کرده‌اند. ساکورا پاسکارلی، از مدیران علمی European XFEL، این کشف را دستاوردی برجسته از برنامه پژوهشی آب نامیده است که راه‌های نوینی برای تحقیق در این زمینه مهیا می‌کند.