دانشمندان ساختار جدیدی از یخ ابر‌یونی با آرایش hcp را در فشار ۲۳۰ گیگاپاسکال و دمای چند هزار درجه مشاهده کردند؛ ساختاری که می‌تواند به شناخت بهتر اورانوس و نپتون کمک کند.
- ساختار جدید hcp ice در فشار ۲۳۰ گیگاپاسکال مشاهده شد.
- این یخ در حدود ۱۷۰۰ کلوین می‌تواند وارد حالت ابر‌یونی شود.
- رسانایی الکتریکی متفاوت آن می‌تواند بر مدل‌های مربوط به میدان مغناطیسی اورانوس و نپتون تأثیر بگذارد.
دانشمندان در شرایطی با دمای بیش از ۲ هزار درجه سانتی‌گراد و فشاری معادل میلیون‌ها برابر فشار جو زمین، ساختار جدیدی از یخ را مشاهده کرده‌اند؛ کشفی که می‌تواند به درک بهتر میدان‌های مغناطیسی اورانوس و نپتون کمک کند.
آب در دماها و فشارهای مختلف می‌تواند ویژگی‌های بسیار غیرعادی از خود نشان دهد. دانشمندان در آزمایشی جدید، ساختاری از یخ را در فشاری معادل ۲.۳ میلیون برابر فشار جو و دمایی تا ۲۳۵۷ درجه مشاهده کرده‌اند. این شرایط شباهت زیادی به محیط اعماق اورانوس و نپتون، دو سیاره موسوم به غول‌های یخی، دارد.
یخی با ساختاری میان جامد و مایع
بر اساس گزارش Science Alert، ساختاری که پژوهشگران بررسی کرده‌اند با ماده‌ای غیرعادی به نام یخ ابر‌یونی یا Superionic Ice ارتباط دارد.
در یخ ابر‌یونی، اتم‌های اکسیژن در یک ساختار بلوری جامد ثابت باقی می‌مانند. در همین حال، هسته‌های هیدروژن می‌توانند درون این ساختار مانند یک مایع حرکت کنند. به این ترتیب، این ماده ویژگی‌هایی دارد که آن را از حالت‌های معمول جامد و مایع آب متمایز می‌کند.
تیمی به سرپرستی Alexis Forestier، فیزیکدان کمیسیون انرژی‌های جایگزین و انرژی اتمی فرانسه، نمونه‌های بسیار کوچکی از آب را میان الماس‌ها قرار داد و آنها را تحت فشار شدید فشرده کرد.
فشار در این آزمایش تا ۲۳۰ گیگاپاسکال افزایش یافت. این میزان فشار تقریباً معادل ۲.۳ میلیون برابر فشار جو زمین در سطح دریا است.
پژوهشگران سپس نمونه‌ها را با استفاده از لیزر تا دمای چند هزار درجه گرم کردند تا رفتار و ساختار آنها را بررسی کنند.
مشاهده ساختاری که پیش‌تر فقط به‌صورت نظری پیش‌بینی شده بود
نتیجه آزمایش، ساختاری را نشان داد که پیش‌تر از نظر نظری پیش‌بینی شده بود اما در آزمایش‌ها به شکل واضح مشاهده نشده بود.
پژوهشگران شواهدی از ساختاری موسوم به hcp ice پیدا کردند. Hcp مخفف hexagonal close-packed است و به ساختاری با آرایش فشرده شش‌ضلعی اتم‌ها اشاره دارد.
هنگامی که یخ گرم شد، نحوه انبساط آن نیز رفتاری ابر‌یونی نشان داد. این موضوع نشان می‌دهد که این ساختار در حدود ۱۷۰۰ کلوین به حالت ابر‌یونی تبدیل شده است.
یکی از انواع یخ ابر‌یونی که پیش‌تر شناخته شده بود، ساختاری مکعبی با مرکز وجهی دارد که به آن fcc گفته می‌شود. در ساختار جدید hcp، لایه‌های اتم‌های اکسیژن با ترتیب متفاوتی نسبت به ساختار fcc قرار گرفته‌اند.
چرا کشف یخ hcp برای اورانوس و نپتون مهم است؟
به گفته پژوهشگران، یخ hcp می‌تواند در فشارهای بالاتر از حدود ۲۰۰ گیگاپاسکال به شکل قدرتمندتری از یخ ابر‌یونی تبدیل شود.
همین تغییر کوچک در آرایش اتمی می‌تواند پیامدهای مهمی برای درک ساختار سیارات منظومه شمسی داشته باشد.
اگر رسانایی الکتریکی یخ hcp با یخ fcc متفاوت باشد، مدل‌هایی که برای ساختار داخلی اورانوس و نپتون ارائه شده‌اند نیز ممکن است نیاز به تغییر داشته باشند.
دانشمندان همچنین احتمال می‌دهند یخ ابر‌یونی در شکل‌گیری میدان‌های مغناطیسی غیرعادی اورانوس و نپتون نقش داشته باشد.
هنوز درباره ویژگی‌های یخ جدید اطلاعات کاملی وجود ندارد
پژوهشگران تأکید کرده‌اند که ویژگی‌های یخ hcp هنوز به‌طور کامل شناخته نشده است.
به‌ویژه درباره ویژگی‌های مکانیکی و رسانایی الکتریکی این ساختار، به مطالعات نظری بیشتری نیاز است.
دانشمندان همچنین قصد دارند در آزمایش‌های جدید مشخص کنند که ساختارهای hcp و fcc در چه شرایطی از نظر دما و فشار پایدار باقی می‌مانند.
سؤالات متداول
یخ ابر‌یونی چیست؟
یخ ابر‌یونی حالتی از آب است که در آن اتم‌های اکسیژن در یک ساختار بلوری ثابت می‌مانند اما هسته‌های هیدروژن می‌توانند مانند مایع درون این ساختار حرکت کنند.
یخ hcp چه تفاوتی با یخ fcc دارد؟
هر دو ساختار دارای آرایش متفاوتی از اتم‌های اکسیژن هستند. در ساختار hcp، لایه‌های اکسیژن با ترتیبی متفاوت از ساختار مکعبی با مرکز وجهی یا fcc قرار گرفته‌اند.
یخ جدید در چه فشاری مشاهده شد؟
پژوهشگران این ساختار را در فشاری تا ۲۳۰ گیگاپاسکال مشاهده کردند که تقریباً معادل ۲.۳ میلیون برابر فشار جو زمین در سطح دریا است.
این کشف چه ارتباطی با اورانوس و نپتون دارد؟
شرایط دما و فشار در اعماق این دو غول یخی می‌تواند به شرایط آزمایش شباهت داشته باشد. بنابراین ویژگی‌های یخ hcp ممکن است برای مدل‌سازی ساختار داخلی و میدان‌های مغناطیسی آنها اهمیت داشته باشد.
جمع‌بندی
یخ hcp یکی از ساختارهای غیرمعمول آب است که در شرایط فوق‌العاده شدید مشاهده شده است. بررسی بیشتر ویژگی‌های مکانیکی و الکتریکی این ماده می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا رفتار ماده در اعماق سیاراتی مانند اورانوس و نپتون را بهتر درک کنند.
اگر به تازه‌ترین کشفیات علمی و رازهای سیارات منظومه شمسی علاقه دارید، سایر مطالب علمی فوت‌وفن را دنبال کنید.
