ابزار چگالی انرژی بالا (HED) XFEL اروپاییXFEL اروپایی
محققان بین‌المللی به تازگی یک شکل جدید یخ به نام یخ XXI را کشف کرده‌اند که آب را تا فشارهای شدید فشرده می‌کند و در عین حال آن را در دمای اتاق نگه می‌دارد.این دستاورد در XFEL اروپایی، یک مرکز تحقیقاتی که قدرتمندترین لیزر اشعه ایکس جهان و منبع فوتون PETRA III DESY در هامبورگ آلمان را در خود جای داده است، حاصل شد.
طبق گفته تیم تحقیقاتی، این یافته بینش بی‌سابقه‌ای در مورد چگونگی رفتار آب در شرایطی مشابه آنچه در اعماق قمرهای یخی و سیارات فراخورشیدی یافت می‌شود، ارائه می‌دهد.
دکتر ریچل هازبند از تیم DESY HIBEF توضیح داد: «یافته‌های ما نشان می‌دهد که تعداد بیشتری از فازهای یخی نیمه پایدار با دمای بالا و مسیرهای انتقال مرتبط با آنها ممکن است وجود داشته باشند که به طور بالقوه بینش‌های جدیدی در مورد ترکیب قمرهای یخی ارائه می‌دهند.»
یخ گرم، شکلی از آب جامد با فشار بالا است که به جای یخ زدن یا ذوب شدن در شرایط عادی، در دمای اتاق پایدار می‌ماند.
در همین حال، آب، یکی از آشناترین مواد زمین، از دو اتم هیدروژن (H) و یک اتم اکسیژن (O) تشکیل شده است. این ماده می‌تواند به بیش از 20 فاز جامد شناخته شده، هر کدام با ساختار مولکولی منحصر به فرد، متبلور شود.با این حال، دانشمندان به رهبری موسسه تحقیقات استاندارد و علوم کره (KRISS) اکنون فاز بیست و یکم آب را شناسایی کرده‌اند که مدل‌های موجود تشکیل یخ را به چالش می‌کشد.
این شکل جدید، یخ XXI، از نظر ساختاری با تمام فازهای یخی شناخته شده قبلی متمایز است. این فاز زمانی تشکیل می‌شود که آب در دمای اتاق به سرعت به آب فوق فشرده فشرده شود.محققان به رهبری دانشمندان موسسه تحقیقات استاندارد و علوم کره (KRISS) فاز جدیدی از یخ به نام یخ XXI را شناسایی و توصیف کرده‌اند.
این فاز جدید همچنین شبه‌پایدار است. این بدان معناست که می‌تواند برای مدتی وجود داشته باشد، حتی اگر شکل دیگری از یخ در آن شرایط پایدارتر باشد. نتایج، درک محققان از تشکیل یخ تحت فشار بالا را عمیق‌تر کرد.
دکتر گئون وو لی، یکی از دانشمندان KRISS، توضیح داد: “فشرده‌سازی سریع آب به آن اجازه می‌دهد تا فشارهای بالاتر، جایی که باید قبلاً به یخ VI متبلور شده باشد، مایع باقی بماند.”
به گفته لی، یخ VI به ویژه جذاب است. دانشمندان معتقدند که این یخ در اعماق قمرهای یخی مانند تیتان و گانیمد وجود دارد. ساختار بسیار تحریف شده آن می‌تواند مسیرهای انتقال پیچیده‌ای را ایجاد کند که منجر به فازهای یخی شبه‌پایدار می‌شود.
برای این تحقیق، تیم از یک سلول سندان الماس، دستگاهی که می‌تواند با فشردن یک نمونه بین دو الماس روبرو، فشارهای عظیمی ایجاد کند، برای بازسازی شرایط شدید سیاره‌ای استفاده کرد.
در داخل این سلول، آنها آب را تا دو گیگاپاسکال (GPa) فشرده کردند، حدود 20000 برابر بیشتر از فشار هوای معمولی. تحت این فشارها، آب معمولاً به یخ VI تبدیل می‌شود. با این حال، هنگامی که بسیار سریع، تنها در عرض 10 میلی‌ثانیه فشرده شد، مایع به اندازه کافی پایدار ماند تا به یخ XXI تازه مشاهده شده تبدیل شود.
برای ثبت لحظه تبلور، تیم سپس به XFEL اروپایی روی آورد، که پالس‌های اشعه ایکس فوق کوتاه آن می‌توانند رویدادهای در مقیاس اتمی را میلیون‌ها بار در ثانیه ثبت کنند.
XFEL مانند یک دوربین پرسرعت، دانشمندان را قادر ساخت تا از تحولات سریع در حالی که مولکول‌های آب در آرایش جدید خود قفل می‌شوند، فیلم بگیرند.
آزمایش‌های بعدی در خط پرتو P02.2 در PETRA III تأیید کرد که یخ XXI دارای ساختار کریستالی چهاروجهی است که از واحدهای تکرارشونده شگفت‌انگیز بزرگی به نام سلول‌های واحد ساخته شده است.
لی گفت: «با پالس‌های منحصر به فرد اشعه ایکس XFEL اروپایی، ما مسیرهای تبلور متعددی را در H2O کشف کرده‌ایم که با استفاده از یک سلول سندان الماس پویا بیش از ۱۰۰۰ بار به سرعت فشرده و از حالت فشرده خارج شده است. ساختاری که H2O مایع در آن متبلور می‌شود به درجه فوق فشرده‌سازی مایع بستگی دارد.»
در همین حال، کورنلیوس استروم، دکترا، از تیم DESY HIBEF، گفت که نمونه‌ها بین نوک دو سندان الماس روبروی هم در این سلول فشار تخصصی قرار می‌گیرند. این امر به آنها اجازه می‌دهد تا دقیقاً در امتداد یک مسیر فشار کنترل‌شده فشرده شوند.
هاسبند در یک بیانیه مطبوعاتی اظهار داشت: «دیدن یک نتیجه عالی دیگر از فراخوان آب ما، ابتکاری که دانشمندان را به ارائه مطالعات نوآورانه در مورد آب دعوت می‌کند، فوق‌العاده است.» «ما مشتاقانه منتظر اکتشافات هیجان‌انگیز بیشتری در آینده هستیم.»
این مطالعه در مجله Nature Materials منتشر شده است.
