A közelmúltban, a New York-i Brightonban lézerenergia laboratóriumban a világ egyik legerősebb lézere egy csepp vizet csapott fel, és olyan sokkhullámot hozott létre, amelyben a vízben a légnyomás millió atmoszférára emelkedett, a hőmérsékletet pedig több ezer fokra emelte. Az a pillanat, amely ugyanazon a másodperc alatt áthaladt ezen a cseppön, megmutatta az emberiségnek a víz első pillantását ilyen szélsőséges körülmények között. Megmutatták, hogy a sokkhullámban lévő víz nem vált túlmelegedett folyadékmá vagy gázává. Nem, a víz fagyott.
Paradox módon a vízatomok megfagytak, és így kristályos jég képződik. Ahogy a fizikusok elvárták, a szomszédos helyiség képernyőjén guggoltak.
"Hall egy lövést, és ugyanabban a pillanatban látja, hogy valami érdekes történt" - mondja Marius Millo, a Livermore Nemzeti Laboratórium. Lawrence, aki a Federica Coppari-val kísérletet végzett.
Mi történik a víz magas nyomáson és hőmérsékleten?
Ennek a héten a természetben megjelent munka eredményei megerősítik a "szuperionikus jég" létezését, amely furcsa tulajdonságokkal rendelkező víz új fázisa. A fagyasztóban vagy az Északi-sarkon található ismerős jégtől eltérően a szuperionos jég fekete és forró. Egy kocka ebből a jégből a szokásos tömeg négyszeresét súlyozta. Létezését először több mint 30 évvel ezelőtt jósolták meg, és bár soha nem láttak még, a tudósok úgy vélik, hogy ez az egyik legszélesebb vízfajta az univerzumban.
Még a Naprendszerben is a víz nagy része valószínűleg szuperionos jég formájában van - az Uránusz és a Neptunusz belekében. Ennek több, mint folyékony víz van a Föld, az Európa és az Enceladus óceánjain. A szuperionikus jég felfedezése oldotta meg a régi misztériumokat ezen "jég óriások" összetételével kapcsolatban.
A tudósok már tizennyolc csodálatos jégkristály-felépítést fedeztek fel, beleértve a vízmolekulák hatszögletű elrendezését a normál jégben (Ih). A jég-I után, amely két alakban van: Ih és Ic, a többi forma II-től XVII-ig számozódik nyitási sorrendben. Igen, az "jég-9" valójában létezik, de tulajdonságai egyáltalán nem azonosak azzal, mint Kurt Vonnegut "Macska bölcsője" című regényében.
Promóciós videó:
A szuperionikus jég igénybe veheti a XVIII. Jég köpenyt. Ez egy új kristály, de benne van egy dolog. Az összes korábban ismert vízjég ép vízmolekulákból áll, amelyekben az oxigénatom két hidrogénatomhoz kapcsolódik. A szuperionos jég azonban, mint az új mérések azt mutatják, nem ilyen. Van egyfajta szürreális végtagban, félig szilárd, félig folyékony. Az egyes vízmolekulák szétesnek. Az oxigénatomok egy köbméretű rácsot alkotnak, a hidrogénatomok pedig szabadon ömlhetnek, folyadékként folynak át egy merev oxigéncellán keresztül.
A szakértők szerint a szuperionikus jég felfedezése igazolja a számítógépes előrejelzéseket, amelyek segítenek az anyagfizikusoknak az egyedi tulajdonságokkal rendelkező jövőbeli anyagok létrehozásában. És ennek a jégnek a felfedezése rendkívül gyors méréseket, valamint a hőmérséklet és a nyomás pontos ellenőrzését tette szükségessé, ami csak a továbbfejlesztett kísérleti módszerekkel vált lehetővé.
A francia Nemzeti Tudományos Kutatóközpont fizikusa, Livia Bove úgy véli, hogy mivel a vízmolekulák lebomlanak, ez nem pontosan a víz új fázisa. "Ez egy új anyagállapot, amely elég lenyűgöző."
Jég rejtvények
A fizikusok évek óta vadásznak a szuperionikus jégre - azóta, amikor egy 1988-ban Pierfranco Demontis által elvégzett primitív számítógépes szimuláció azt jósolta, hogy a víz ezen furcsa, szinte fémből alakul, ha az ismert jégfázisok térképén kívül esik.
A modellezés kimutatta, hogy erős nyomás és hő hatására a vízmolekulák elpusztulnak. Az oxigénatomok egy köbös rácsba vannak ragadva, és "a hidrogén újra és újra elkezdi a kristály egyik helyzetéből a másikba ugrálni" - mondja Millo. Ezek a rácshelyek közötti ugrások olyan gyorsak, hogy a hidrogénatomok - amelyek ionizálódnak, lényegében pozitív töltésű protonokká válnak - folyadékként viselkednek.
Azt sugallták, hogy a szuperionos jég elektromos áramot vezet, mint egy fém, és a hidrogén elektronokként fog működni. Ezen szabad hidrogénatomok jelenléte szintén növeli a jég rendellenességét, entrópiáját. Az entrópia növekedése viszont stabilabbá teszi a jeget, mint más típusú jégkristályok, amelynek eredményeként olvadáspontja emelkedik.
Mindezt könnyű elképzelni, nehéz hinni benne. Az első modellek egyszerűsített fizikát alkalmaztak, áttörve a valódi molekulák kvantum jellegét. A későbbi szimulációk további kvantumhatásokat hoztak létre, de mégis megkerülték a kvantumtestek kölcsönhatásainak leírásához szükséges tényleges egyenleteket, amelyeket túl nehéz kiszámítani. Ehelyett közelítésekre támaszkodtak, amelyek növelték annak valószínűségét, hogy ez a teljes forgatókönyv mirage-ként alakuljon ki a szimulációban. Eközben a kísérletek nem tudták megteremteni a szükséges nyomást és elegendő hőt termelni az erős anyag megolvasztására.
És amikor mindenki elhagyta ezt a vállalkozást, a bolygó tudósai kifejezték saját gyanújukat, miszerint a víznek jégszuperionikus fázisa lehet. Ugyanakkor, amikor ezt a fázist először megjósolták, a Voyager 2 szonda belépett a külső Naprendszerbe, és felfedezett valami furcsát az Uránusz és Neptunusz jég óriások mágneses tereiben.
Úgy tűnik, hogy a Naprendszer más bolygóinak körüli mezők jól meghatározott északi és déli pólusokból állnak, és nincs különösebb szerkezetük. Úgy tűnik, hogy a forgástengelyhez igazított rúdmágneseket tartalmaznak. A planetológusok ezt a "dinamóval" társítják: a belső régiók, ahol a vezetőképes folyadékok a bolygó forgása közben felállnak és forognak, hatalmas mágneses mezőket hoznak létre.
Ezzel szemben az Uránustól és Neptunustól származó mágneses mezők nehézkesnek és összetettebbnek tűntek, több mint két pólusával. Ugyancsak nem igazodtak a bolygóik forgásához. Ennek egyik módja az, hogy a vezetőképes folyadékot, amely a dinamóért felelős, csak a bolygó vékony külső héjával korlátozza, ahelyett, hogy behatoljon a magba.
Az a gondolat, hogy ezeknek a bolygóknak szilárd magjai lehetnek, amelyek nem tudnak dinamizmust generálni, nem tűnt realisztikusnak. Ha átfúrna ezeket a jég óriásokat, akkor elvárható, hogy először találjon egy ionvízréteggel, amely áramlik, áramot vezet és részt vesz egy dinamóban. Úgy tűnik, hogy még mélyebb anyag, még magasabb hőmérsékleten is folyékony lesz, de ez naiv. A bolygó tudósai azzal érvelnek, hogy Uránusz és Neptunusz bélje egyáltalán nem lehet szilárd. De kiderült, hogy tudnak.
Robbant a jég
Coppari, Millo és csapatuk összerakta a puzzle-darabokat.
Egy korábbi, 2018 februárjában publikált kísérletben a fizikusok közvetett bizonyítékokat szereztek a szuperionos jég létezésére. Egy csepp szobahőmérsékletű vizet szorított két vágott gyémánt hegyes végei közé. Amikor a nyomás körülbelül gigapaszkálára emelkedett, ami körülbelül tízszeresére növekedett, mint a Mariana-árok alján, a víz egy tetragonális kristály, jég-VI. Két gigapaszkal körül a Ice-VII-be morfolitált, sűrűbb, kötetlen alakú, átlátszó, szabad szemmel, amelyet a tudósok a közelmúltban fedeztek fel a természetes gyémánt belsejében található apró zsebekben is.
Ezután egy OMEGA lézerrel a Laser Energy Lab-ban Millo és kollégái a Ice-VII-re irányultak, még mindig gyémánt üllések között. Amikor a lézer megütötte a gyémánt felületét, felfelé párologtatta az anyagot, lényegében az ellenkező irányba dobva a gyémántot, és sokkhullámot küldve a jégen. A Millo csapata úgy találta, hogy a szuperpréselt jég körülbelül 4700 Celsius fokon olvad, ahogy azt a szuperionos jégre elvárják, és hogy a töltött protonok mozgatásával áramot vezet.
Miután a szuperionos jég ömlesztett tulajdonságaira vonatkozó előrejelzéseket megerősítették, a Coppari és Millo által készített új tanulmánynak meg kellett volna erősítenie a szerkezetét. Ha meg akarja erősíteni a kristály jellegét, röntgen diffrakcióra van szükség.
Új kísérletükben a VI-jég és a VII-es jég teljesen hiányzott. Ehelyett a csapat egyszerűen lézerrel zúzta a vizet a gyémánt üllők között. Másodpercekkel később, amikor a sokkhullámok behatoltak és a víz nanométeres jégkockákba kezd kristályosodni, a tudósok további 16 lézernyalábot adtak hozzá, hogy egy vékony vasdarabot elpárologtassanak a minta mellett. A kapott plazma röntgen sugarakkal elárasztotta a kristályosodó vizet, amely azután elkülönült a jégkristályoktól, és lehetővé tette a csapat számára, hogy megkülönböztesse szerkezetét.
A víz atomjai átrendeződtek a régóta előrejelzett, de még soha nem látott építkezésben, a jég-XVIII-ban: egy köbös rács oxigénatomokkal az egyes sarkokban és az arc közepén.
És a szimulációk és a valódi szuperionikus jég ilyen sikeres keresztellenőrzése azt sugallja, hogy hamarosan megvalósulhat az anyagfizika kutatóinak „álma”. "Ön elmondja nekem, milyen anyagi tulajdonságokra van szüksége. Megyünk egy számítógéphez, és elméletileg kitaláljuk, milyen anyagra és milyen kristályszerkezetre van szüksége" - mondja Raymond Janlose, a kaliforniai Berkeley-i Egyetem tudósa.
Az új elemzés arra is rámutat, hogy míg a szupersionos jég áramot vezet némi árammal, ez laza, de szilárd. Fokozatosan terjed, de nem áramlik. Így az Uránusz és a Neptunusz belsejében lévő folyadékrétegek körülbelül 8000 kilométert tudnak megállítani a szárazföldön, ahol egy hatalmas köpeny állhat fenn a nem állandó superionos jégből. Ez korlátozza a legtöbb dinamikus hatást sekélyebb mélységekben, tekintettel a bolygók szokatlan tereire.
A Naprendszer többi bolygóján és holdján valószínűleg nincs olyan belső hőmérséklet és nyomás, amely lehetővé tenné a szuperionos jég létezését. De a sok jég óriások méretű exoplanettája azt sugallja, hogy ez az anyag - a szuperionos jég - elterjed a jégvilágokban a galaxisban.
Természetesen egyetlen bolygó sem fog önmagában vizet tartalmazni. A naprendszer jég óriásai szintén keverednek metánnal és ammóniával. A tudósok szerint a szuperionikus viselkedés tényleges helyzete a természetben "attól függ, hogy léteznek-e ezek a fázisok, ha vizet keverünk más anyagokkal". Szuperionos ammóniának is léteznie kell.
A kísérletek folytatódnak. Gondolod, hogy egy nap megtudjuk, mi a Naprendszerünk legnagyobb testének középpontjában?
Ilya Khel
