Starptautiska pētnieku grupa atklāja jaunu ledus formu, Ice XXI, kas veidojas istabas temperatūrā zem ekstremāla spiediena. Šis atklājums var sniegt atslēgu uz ūdens uzvedības un apstākļu izpratni uz ledus planētām.
Saturs
Parastos apstākļos ūdens uzvedas kā paredzama šķidruma: tas sasalst pie 0 °C un vārās pie 100 °C, un ārpus šiem diapazoniem tā struktūra šķiet vienkārša. Bet šim parastajam šķidrumam ir slēpta un sarežģīta puse, kad tas tiek pakļauts ekstremāliem apstākļiem. Tas, kas šķita vienkārša stāvokļa maiņa, var atklāt negaidītu uzvedību, piemēram, starpposma fāzes vai pilnīgi jaunas kristāliskas struktūras. Tagad starptautiskai zinātnieku grupai pirmo reizi izdevās novērot vienu no šādām slēptām formām: jaunu, iepriekš nezināmu ledus fāzi .
Atklājums, kas publicēts žurnālā Nature Materials un veikts Korejas Standartu, zinātnes un tehnoloģiju institūta (KRISS) pētnieku, ļāva veiksmīgi sasaldēt ūdeni istabas temperatūrā zem spiediena, kas pārsniedz 2 gigapaskalus. Šī procesa laikā viņi atklāja iepriekš nezināmas ledus fāzes veidošanos, kuru nosauca par Ice XXI . Šī jauna kristāliskā struktūra ne tikai paplašina jau tā iespaidīgo zināmo ledus veidu ģimeni, bet var būt arī nozīmīga materiālu fizikā un kosmosa izpētē.
Jauns ledus veids… istabas temperatūrā.
Pārsteidzošs atklājums par ledu XXI ir ne tikai tas, ka tas ir jauns ledus veids — jau 21. pēc skaita —, bet arī apstākļi, kādos tas veidojas . Šis ledus veidojas istabas temperatūrā, bet tikai tad, ja uz ūdeni iedarbojas milzīgs spiediens, kas pārsniedz 2 GPa. Citiem vārdiem sakot, ūdens pārvēršas ledū, nebūdams auksts, ja to saspiež ar pietiekamu spēku.
Pētnieku grupa izmantoja specializētu ierīci, ko sauc par dinamisko dimanta ēzeli (dDAC), kas saspiež mikroskopiskus paraugus ar ārkārtēju precizitāti. Šis ierīcei bija izšķiroša nozīme, novērojot ātrās fāžu pārejas, kas notiek mazāk nekā milisekundes laikā. Pēc raksta autoru teiktā, XXI ledus parādās kā starpposma un īslaicīga fāze tajā, kas tika uzskatīts par stabilu tā saucamā VI ledus, citas labi izpētītas ledus formas, zonu.
„Dinamiskā dimanta āmura un brīvo elektronu rentgena lāzera kombinācija ļāva atklāt vairākus sasalšanas un kušanas ceļus istabas temperatūrā, kas bija slēpti VI ledus spiediena zonā”, norāda autori zinātniskajā rakstā.
Ledus XXI: struktūra, retums un pārejas procesi
Struktūras līmenī ledus XXI ir sarežģīta elementārā šūna, kas ir saplacinātas taisnstūra prizmas formā, ar 152 ūdens molekulām uz vienu vienību. Tā ģeometrija atbilst tilpuma centrētai tetragonālajai struktūrai , kas klasificēta kā I4̅2d , un tās blīvums ir 1,413 g/cm³ , kas to padara blīvāku par vairumu zināmo ledus formu.
Šī ledus forma ir nestabila ilgtermiņā: tā ātri parādās un pazūd, darbojoties kā “tilts” starp citām, stabilākām fāzēm, piemēram, VI ledu un metastabilo VII ledus formu. Tomēr tās atklāšana ir nozīmīga, jo parāda, ka pat pieņēmami stabilos apstākļos ūdens var uzvesties daudz sarežģītāk, nekā tika uzskatīts iepriekš .
Šīs atklāšanas nozīmīgums slēpjas arī tajā, ka, saskaņā ar rakstu, „ pārsaspiests ūdens strukturāli attīstās no ūdens ar augstu blīvumu uz ūdeni ar ļoti augstu blīvumu, iedarbinot daudzus pārejas ceļus ”. Citiem vārdiem sakot, runa nav vienkārši par stāvokļa maiņu, bet par dažādu molekulu izvietojuma ceļu izpēti zem spiediena.
Zinātniskā karjera planētas mērogā
Eksperiments ir starptautiskas sadarbības rezultāts, kurā apvienojušies 33 zinātnieki no Dienvidkorejas, Vācijas, Japānas, ASV un Lielbritānijas. KRISS komanda vadīja projektu un saņēma atbalstu no Eiropas brīvo elektronu rentgena lāzera (European XFEL), kas ir pasaulē jaudīgākais rentgena lāzers.
Pateicoties dDAC šūnas un XFEL rentgena sistēmas kombinācijai, pētnieki varēja iegūt attēlus ar mikrosekundes laika izšķirtspēju. Tas ļāva viņiem novērot precīzo brīdi, kad ūdens mainīja savu struktūru un pārvērtās par XXI ledu. Kā paskaidrots rakstā, saspiešanas un atslābšanas ciklu laikā tika atklāti vismaz pieci dažādi spiediena atkarības no laika līkņu tipi, kas norāda uz daudzu slēptu sasalšanas un kušanas ceļu pastāvēšanu vienā un tajā pašā spiediena diapazonā.
Turklāt pētījumā tika izmantotas molekulāri dinamiskās modelēšanas metodes, kas palīdzēja apstiprināt, ka noteiktā spiedienā ūdens pārvēršas struktūrās, kas līdzīgas XXI ledus struktūrām. Šāda eksperimentu un modelēšanas kombinācija sniedz detalizētu un visaptverošu priekšstatu par novēroto parādību.
Kādas ir šī atklājuma sekas?
Papildus tīri zinātniskajai interesei, XXI ledus atklājums var būt nozīmīgs tādās jomās kā planētu fizika un astrobioloģija. Novērotā šīs jaunās ledus formas blīvums ir salīdzināms ar blīvumu, kāds varētu būt ledus pavadoņos, piemēram, Eiropā (Jupiters) vai Enceladā (Saturns) , kur ūdens var būt pakļauts līdzīgam spiedienam zem ledus slāņiem un dziļos okeānos.
Tas nozīmē, ka XXI ledus var pastāvēt dabiskā veidā citās pasaulēs, lai gan tikai īsu laiku vai noteiktās vietās. Ja tā esamība tiks apstiprināta, tas pavērs jaunas iespējas izprast apstākļus, kas veicina vai kavē dzīvības rašanos ekstremālos apstākļos.
Kā norādīts pašā rakstā, „šie rezultāti paver perspektīvas atklāt metastabilākas ledus fāzes un to pārejas ceļus uz augstākām temperatūrām”. Citiem vārdiem sakot, XXI ledus nav atsevišķs gadījums, bet daļa no plašākas starpposmu formu ģimenes, kuru mēs tikai sākam pētīt.
Ārpus ūdens: jauni apvāršņi vielai.
Viens no visvairāk pārsteidzošajiem šī darba aspektiem ir tas, ka tas apstrīd tradicionālo uzskatu, ka fāžu pārejas ūdenī ir vienkāršas vai lineāras . Pētnieki ir parādījuši, ka patiesībā pastāv daudz iespējamo ceļu ar starpposma fāzēm, kas var būt atgriezeniskas vai neatgriezeniskas, un ar struktūrām, kas neatbilst klasiskajiem modeļiem.
Šī sarežģītība ir nozīmīga perspektīvu materiālu izstrādē, jo izpratne par to, kā veidojas šīs struktūras, var ļaut mums radīt jaunas vielas ar unikālām īpašībām, kas ir stabilas tikai ekstremālos apstākļos. Runa ir ne tikai par labāku izpratni par ūdeni, bet arī par jaunas pētījumu jomas atklāšanu citām šķidrumiem un cietvielām, kas var uzvesties līdzīgi.
Izmantotā metode, kas ietver dinamisko saspiešanu mikrosekundes mērogā, var tikt piemērota arī citiem materiāliem, kas padara šo sasniegumu ne tikai konceptuālu, bet arī metodoloģisku atklājumu. Ir pilnīgi iespējams, ka tuvākajos gados, pateicoties šādiem ekstremāliem eksperimentiem, tiks atklātas jaunas vielas fāzes.
