Nowa forma lodu

Naukowcy potwierdzili istnienie nowego stanu wody, w którym może być ona jednocześnie stała i płynna. To niezwykły postęp w badaniach struktury wody, pozornie prostej substancji, która ciągle jednak zaskakuje.
„To naprawdę dziwny stan” – powiedział Marius Millot, fizyk z Lawrence Livermore National Laboratory w Kalifornii, główny autor artykułu opublikowanego 5 lutego w czasopiśmie „Nature Physics” opisującym eksperymenty.
Ta nowa forma nazywana jest wodą superjonową lub lodem superjonowym i składa się ze sztywnej sieci atomów tlenu, przez którą poruszają się naładowane dodatnio jądra wodoru. Nie wiadomo, czy taka forma istnieje w naturze w jakimkolwiek miejscu na Ziemi, jednak może jej być dużo więcej w Układzie Słonecznym, w tym w płaszczach Uranu i Neptuna.
Woda to prosta cząsteczka – dwa wodory przyłączone do jednego tlenu. Te trzy atomy zwykle tworzą kształt litery V. W zwykłym lodzie znalezionym na Ziemi, te V łączą się w luźną strukturę. (Dlatego woda, w przeciwieństwie do większości innych substancji, rozszerza się, gdy zamarza). Po ściśnięciu, wodory i tlenki stapiają się w inne struktury krystaliczne – naukowcy znają obecnie ponad tuzin różnych form lodu.

Wizualizacja superjonowego lodu, gdzie jony wodoru (poskręcane trajektorie) poruszają się w stałej sieci krystalicznej tlenu. S. Hamel/M. Millot/J.Wickboldt/LLNL/NI

Teoretycy 30 lat temu po raz pierwszy zasugerowali, że woda superjonowa może istnieć pod skrajnie wysokimi ciśnieniami i gorącymi temperaturami. Ciepło topi wiązania chemiczne między atomami wodoru i tlenu. Wysokie ciśnienie utrzymuje ułożone większe i cięższe atomy tlenu w ustalonym układzie kryształów – wtedy mamy ciało stałe – podczas gdy jądra wodoru lub jony przepływają – co daje formę ciekłą.
To sprawia, że ​​woda jest przewodnikiem elektryczności takim jak metal, ale prąd jest przenoszony przez dodatnio naładowane jony zamiast ujemnie naładowane elektrony.
„To tak, jakby lód w wodzie był częściowo stopiony”, powiedział Raymond Jeanloz, profesor nauk o Ziemi i planetach na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley i autor artykułu w „Nature Physics”.
W nowym eksperymencie naukowcy z Lawrence Livermore najpierw „wcisnęli” wodę między dwa kawałki diamentu pod ogromnym ciśnieniem – większym od tego ziemskiego od 25 tysięcy razy. Woda zmieniła się wówczas w lód nazywany lodem VII, który jest o około 60 procent gęstszy niż zwykła woda i zachowuje stan stały w temperaturze pokojowej. Dodatkowo każda komórka diamentu zawierała około siedmiu milionów uncji wody.
Naukowcy następnie zabrali sprasowany lód, zapakowali go i zawieźli na Uniwersytet w Rochester, gdzie został potraktowany światłem lasera. To spowodowało fale uderzeniowe przechodzące przez lód, których czas trwania oszacowano na 10 do 20 miliardowych części sekundy. Rozgrzewały one lód do tysięcy stopni i wywierały nacisk ponad milion razy większy od ziemskiej atmosfery. Takie warunki istnieją wewnątrz Urana i Neptuna i niewątpliwie w obrębie licznych lodowych gigantów.
Wcześniejsze eksperymenty przeprowadzane przez inne grupy doprowadziły do ​​wytworzenia wody przewodzącej, która mogła być superjonowa, ale naukowcy nie byli w stanie określić, czy prąd jest przenoszony przez jony czy przez elektrony. Millot i jego współpracownicy byli w stanie uchwycić do tego optyczny wygląd lodu. Gdyby prąd był przenoszony przez elektrony, lód odbijałby światło. (Dlatego metale są błyszczące.) Zamiast tego próbka była nieprzejrzysta. Wskazuje to na ruch jonów, a tym samym na superjonowy lód.
Superjoniczny lód stopił się w ciecz w temperaturze dopiero około 8500 stopni Celsjusza.
„To dość niezwykły eksperyment, a wyniki są spójne z teoretycznymi i obliczeniowymi przewidywaniami” – powiedział Roberto Car, profesor chemii na Uniwersytecie w Princeton.
Lód superjoniczny mógłby pomóc wyjaśnić zjawisko nieregularnych pól magnetycznych Uranu i Neptuna, siódmej i ósmej planety Układu Słonecznego, które znane są jako lodowe olbrzymy i zostały na krótko odwiedzone przez sondę kosmiczną NASA Voyager 2 w latach 80-tych. Zamiast ziemskiego pola magnetycznego wytwarzanego w jądrze planety, pola tych lodowych ciał mogą pochodzić, w części, z superjonicznego lodu znajdującego się wewnątrz ich płaszczy.
Jeanloz uważa, że zgodność między eksperymentem a prognozami jest obiecująca i pozwoli naukowcom zrozumieć podstawową fizykę tego, jak cząsteczki zachowują się przy zmianach temperatur i ciśnień.
„Kiedy nasze przewidywania zaczną się sprawdzać przewidywania, będzie można zacząć myśleć o inżynierii nowych materiałów”, powiedział Jeanloz, „ty mówisz, na jakich właściwościach ci zależy, a ktoś może użyć komputera od razu, aby się dowiedzieć, jak je osiągnąć”.
Car, jeden z naukowców, którzy badali lód superjoniczny w symulacjach komputerowych, zasugerował, że może istnieć kilka rodzajów takiego lodu, z atomami tlenu zmie- niającymi swoje ułożenie w różnych strukturach krystalicznych przy jeszcze wyższych ciśnieniach.
„Zawsze jestem zaskoczony pomysłowością ludzi prowadzących eksperymenty” – podsumował naukowiec.

Kenneth Chang
NYT

Related News

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

COPYRIGHT 2014 ZYCIE PUBLISHING SERVICES. ALL RIGHTS RESERVED.