به نقل از scitechdaily، ما معمولاً یخ را به شکل ساده اش می شناسیم: همان بلورهای شفاف و سردی که از آب منجمد ساخته شده اند. اما واقعیت این است که یخ می تواند بیش از 20 شکل متفاوت داشته باشد—هرکدام با ساختار مولکولی خاص خود. این شکل ها با اعداد رومی نام گذاری شده اند: یخ I، یخ II، یخ III و حالا... یخ XXI.

در یک کشف هیجان انگیز، گروهی بین المللی از پژوهشگران به رهبری دانشمندان مؤسسه KRISS در کره جنوبی، موفق شدند فاز کاملاً جدیدی از یخ را شناسایی کنند: یخ XXI. آن ها با استفاده از تجهیزات پیشرفته پرتو ایکس در مراکز تحقیقاتی European XFEL و PETRA III، این ساختار ناشناخته را ثبت و تحلیل کردند. نتایج این پژوهش در نشریه Nature Materials منتشر شده است.

یخ XXI زمانی شکل می گیرد که آب مایع به سرعت تحت فشار بسیار بالا قرار بگیرد—در شرایطی که دانشمندان آن را "آب فوق فشرده" می نامند. این فاز ناپایدار است، یعنی می تواند برای مدتی باقی بماند، حتی اگر در همان شرایط، نوع دیگری از یخ پایدارتر باشد. این کشف، درک ما از رفتار آب در شرایط شدید را دگرگون می کند.

آب، با وجود اینکه فقط از دو عنصر تشکیل شده (هیدروژن و اکسیژن)، در حالت جامد رفتاری بسیار پیچیده دارد. بیشتر فازهای یخ در دماهای پایین و فشارهای بالا دیده می شوند. تیم تحقیقاتی دریافته که با فشرده سازی سریع آب، می توان آن را تا فشارهای بالا به صورت مایع نگه داشت—جایی که معمولاً باید به یخ VI تبدیل شده باشد.

یخ VI یکی از فازهای عجیب یخ است که احتمالاً در اعماق قمرهای یخی مانند تایتان و گانیمد وجود دارد. ساختار پیچیده اش می تواند مسیرهای گذار جالبی به فازهای ناپایدار مانند یخ XXI ایجاد کند.

برای ایجاد چنین شرایطی، پژوهشگران از ابزاری به نام "سلول سندان الماسی" استفاده کردند. در این روش، نمونه آب بین دو الماس بسیار سخت قرار می گیرد تا فشاری معادل 2 گیگاپاسکال (حدود 20 هزار برابر فشار هوا) به آن وارد شود. در این فشار، حتی در دمای اتاق هم یخ تشکیل می شود—اما با ساختاری بسیار فشرده تر از یخ معمولی.

این کشف نه تنها درک ما از فیزیک آب را گسترش می دهد، بلکه می تواند به شناخت بهتر از ساختار درونی سیارات و قمرهای یخی کمک کند. یخ XXI شاید در دل توده های یخی دوردست، جایی در منظومه شمسی، حضوری پنهان داشته باشد.

کشف فازی تازه از یخ که نباید وجود داشته باشد—اما هست!

در یک دستاورد علمی تازه، تیمی بین المللی از پژوهشگران به رهبری دانشمندان مؤسسه تحقیقات استانداردهای علمی کره (KRISS)، موفق به کشف نوعی جدید از یخ شده اند که تاکنون ناشناخته بوده: یخ XXI. این ساختار تازه با استفاده از تجهیزات پیشرفته پرتو ایکس در مراکز European XFEL و PETRA III ثبت و تحلیل شده و نتایج آن در نشریه Nature Materials منتشر شده است.

یخ XXI با تمام شکل های شناخته شده ی یخ تفاوت دارد. این فاز زمانی شکل می گیرد که آب مایع در دمای اتاق تحت فشاری بسیار سریع و شدید قرار گیرد—شرایطی که دانشمندان آن را "آب فوق فشرده" می نامند. این فاز ناپایدار است، یعنی می تواند برای مدتی باقی بماند، حتی اگر در همان شرایط، نوع دیگری از یخ پایدارتر باشد. این کشف، درک ما از رفتار یخ در فشارهای شدید را گسترش می دهد.

آب، با وجود اینکه تنها از دو عنصر تشکیل شده (H₂O)، در حالت جامد رفتاری بسیار پیچیده دارد. بیشتر فازهای یخ در دماهای پایین و فشارهای بالا دیده می شوند. تیم تحقیقاتی اکنون اطلاعات بیشتری درباره ی نحوه ی شکل گیری و تغییر فازهای مختلف یخ با فشار به دست آورده است.

دانشمند KRISS، گئون وو لی، توضیح می دهد:

"فشرده سازی سریع آب باعث می شود تا در فشارهایی بالا همچنان مایع باقی بماند—جایی که باید به یخ VI تبدیل شده باشد."

یخ VI یکی از فازهای جالب یخ است که احتمالاً در اعماق قمرهای یخی مانند تایتان و گانیمد وجود دارد. ساختار پیچیده اش ممکن است مسیرهای گذار خاصی به فازهای ناپایدار مانند یخ XXI ایجاد کند.

از آن جا که بیشتر انواع یخ فقط در شرایط شدید شکل می گیرند، پژوهشگران از ابزاری به نام "سلول سندان الماسی" استفاده کردند. در این روش، نمونه آب بین دو الماس بسیار سخت قرار می گیرد تا فشاری معادل 2 گیگاپاسکال (حدود 20 هزار برابر فشار هوا) به آن وارد شود. این فشار باعث می شود یخ حتی در دمای اتاق تشکیل شود—اما با ساختاری بسیار فشرده تر از یخ معمولی.

برای مشاهده ی دقیق فرآیند شکل گیری یخ، پژوهشگران ابتدا در مدت 10 میلی ثانیه فشار بالا ایجاد کردند، سپس در طول 1 ثانیه آن را آزاد کردند و این چرخه را چندین بار تکرار نمودند. در این فرآیند، از پرتوهای فوق سریع و شدید پرتو ایکس در European XFEL استفاده شد تا از نمونه در هر میکروثانیه (یک میلیونم ثانیه) تصویربرداری شود—مثل یک دوربین فوق سریع که فیلمی از شکل گیری ساختار یخ تهیه می کند.

با استفاده از خط پرتوی P02.2 در PETRA III، پژوهشگران دریافتند که یخ XXI دارای ساختار بلوری چهارگوش (تترگونال) است که از واحدهای تکرارشونده ی بزرگ تری نسبت به سایر انواع یخ تشکیل شده است.

گئون وو لی توضیح می دهد:

"با استفاده از پالس های منحصربه فرد پرتو ایکس در European XFEL، توانستیم مسیرهای مختلف تبلور آب را کشف کنیم—آبی که بیش از هزار بار به صورت دینامیک فشرده و آزاد شده بود."

کرنلیوس استروهم از تیم DESY HIBEF نیز می گوید:

"در این سلول فشار ویژه، نمونه ها بین نوک دو سندان الماسی قرار می گیرند و می توان آن ها را در مسیر فشار مشخصی فشرده کرد."

لی اضافه می کند:

"ساختاری که آب مایع در آن به یخ تبدیل می شود، به میزان فشردگی آن بستگی دارد. یافته های ما نشان می دهد که ممکن است فازهای ناپایدار بیشتری از یخ در دمای بالا وجود داشته باشند—و این می تواند سرنخ هایی درباره ی ترکیب قمرهای یخی ارائه دهد."

راشل هازبند از تیم DESY HIBEF نیز تأکید می کند که این کشف می تواند درک ما از ساختار درونی قمرهای یخی را دگرگون کند.

هر دو مرکز DESY و European XFEL تلاش های گسترده ای برای شناخت بهتر آب انجام می دهند:

DESY از طریق مرکز مشترک علوم مولکولی آب، و European XFEL از طریق پروژه ی Water Call که این پژوهش نیز بخشی از آن بوده است.

ساکورا پاسکارلی، مدیر علمی European XFEL، می گوید:

"دیدن چنین دستاوردی از پروژه ی Water Call فوق العاده است. این ابتکار از دانشمندان دعوت می کند تا مطالعات نوآورانه ای درباره ی آب ارائه دهند. بی صبرانه منتظر کشفیات هیجان انگیز بیشتری هستیم."