«Θερμός μαύρος πάγος» – Νέα κατάσταση της ύλης ανακάλυψαν οι επιστήμονες

Μια σπουδαία ανακάλυψη που μπορεί να φέρει στο φως μυστικά που κρύβουν οι παγωμένοι πλανήτες, όπως ο Ποσειδώνας και ο Ουρανός, έκαναν επιστήμονες. Ανακάλυψαν την 18η μορφή πάγου, μια νέα και μυστηριώδη φάση του νερού.

Το «παράξενο, μαύρο» νερό ονομάζεται «υπεριοντικός πάγος» (superionic ice) και σχηματίζεται κάτω από τις ίδιες πιέσεις και θερμοκρασίες με αυτές που επικρατούν στο κέντρο της Γης – γεγονός που θα μπορούσε σύντομα να βοηθήσει τους ερευνητές να διερευνήσουν τα μυστικά που κρύβονται μέσα στους πυρήνες άλλων κόσμων.

Προηγουμένως, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ωστικά κύματα για να δημιουργήσουν αυτόν τον παράξενο πάγο, ο οποίος έλιωσε μετά σε 20 νανοδευτερόλεπτα. Αυτό το νέο πείραμα σηματοδοτεί την πρώτη φορά που οι επιστήμονες δημιούργησαν σταθερό υπεριοντικό πάγο τον οποίο μπόρεσαν να μελετήσουν λεπτομερώς.

«Μας εξέπληξε – όλοι πίστευαν ότι αυτή η φάση δεν θα εμφανιζόταν παρά μόνο σε πολύ υψηλότερες πιέσεις από αυτές όπου την ανακαλύψαμε για πρώτη φορά», δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Βιτάλι Πρακαπένκα, γεωφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο και επιστήμονας στο Advanced Photon Source στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne.

Το υγρό, ο ατμός και ο πάγος είναι οι πιο συνηθισμένες φάσεις του νερού, ωστόσο τα μόρια του μπορούν να σχηματιστούν και σε άλλες διατάξεις που αντιπροσωπεύουν διαφορετικές φάσεις. Στην πραγματικότητα, οι επιστήμονες έχουν εντοπίσει 20 μορφές του πάγου – τους διαφορετικούς τρόπους δηλαδή, με τους οποίους τα συνδεδεμένα άτομα υδρογόνου και οξυγόνου μπορούν να συσσωρεύονται κάτω από διαφορετικές θερμοκρασίες και πιέσεις.

Για παράδειγμα, ο «πάγος VI» και ο «πάγος VII» έχουν μόρια που διατάσσονται σε ορθογώνια πρίσματα ή κύβους, αντίστοιχα. Ο «πάγος XI» αντιστρέφει τις πλευρές του αν τοποθετηθεί μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο, ενώ ο «πάγος XIX» είναι εύθραυστος και μόνο τα άτομα υδρογόνου του σχηματίζουν ένα κανονικό μοτίβο, αναφέρει το Live Science.

Ο υπεριοντικός πάγος είναι η 18η μορφή πάγου που ανακαλύπτουν οι επιστήμονες και μία από τις πιο παράξενες μέχρι στιγμής. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα άτομα οξυγόνου παραμένουν στη θέση τους όπως θα έκαναν σε ένα στερεό, ενώ τα άτομα υδρογόνου- αφού εγκαταλείψουν τα ηλεκτρόνια τους- γίνονται ιόντα και ρέουν ελεύθερα μέσα στον πάγο σαν να ήταν ένα υγρό.

«Φανταστείτε έναν κύβο, ένα πλέγμα με άτομα οξυγόνου στις γωνίες που συνδέονται με υδρογόνο», εξήγησε ο Πρακαπένκα. «Όταν μετασχηματίζεται σε αυτή τη νέα υπεριονική φάση, το πλέγμα διαστέλλεται, επιτρέποντας στα άτομα υδρογόνου να μεταναστεύουν γύρω του, ενώ τα άτομα οξυγόνου παραμένουν σταθερά στις θέσεις τους. Είναι κάτι σαν ένα στερεό πλέγμα οξυγόνου που κάθεται σε έναν ωκεανό από επιπλέοντα άτομα υδρογόνου».

Αυτά τα άτομα υδρογόνου που «κολυμπούν», εμποδίζουν το φως να περάσει μέσα από τον πάγο με έναν προβλέψιμο τρόπο, δίνοντάς το μαύρο χρώμα του.

Μια ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Χημείας του Πανεπιστημίου του Sassari Πιερφράνκο Ντεμόντις διατύπωσε για πρώτη φορά τη θεωρία της ύπαρξης του υπεριοντικού πάγου το 1988. Το  2018, ερευνητές του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Livermore στην Καλιφόρνια, βρήκαν τα πρώτα στοιχεία του, σύμφωνα με το Live Science.

Ο Πρακαπένκα και οι συνάδελφοί του χρησιμοποίησαν τον APS, έναν τεράστιο επιταχυντή που εκτοξεύει ηλεκτρόνια σε εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες, για να παράγουν φωτεινές ακτίνες Χ.

Συμπίεσαν το σταγονίδιο νερού με ένα διαμαντένιο αμόνι (diamond anvil cell) 0,2 καρατίων και το θέρμαναν μέσω λέιζερ. Τέλος, έστειλαν μια δέσμη ακτίνων-Χ μέσα από το δείγμα και διευθέτησαν τη διάταξη των ατόμων στο εσωτερικό του, με βάση τη διάχυση των ακτίνων-Χ. Έτσι μπόρεσαν να προσδιορίσουν τη δομή του υπεριονικού πάγου και να καταγράψουν με ακρίβεια τις διάφορες μεταβάσεις φάσης του σταγονιδίου νερού καθώς αυτό μεταμορφωνόταν σε υπεριονικό πάγο.

Περαιτέρω μελέτη, όπως αναφέρει το ertnews.gr, θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τις ιδιότητες του πάγου και να χαρτογραφήσουν τις συνθήκες υπό τις οποίες εμφανίζονται οι διαφορετικές φάσεις του στη φύση. Επειδή τα ελεύθερα αιωρούμενα ιόντα υδρογόνου μπορούν να δημιουργήσουν μαγνητικό πεδίο, οι ερευνητές αναρωτιούνται αν οι υπεριονικοί πάγοι είναι θαμμένοι στους πυρήνες πλανητών όπως ο Ποσειδώνας και ο Ουρανός, ή παγιδευμένοι μέσα στις ψυχρές θάλασσες του φεγγαριού του Δία, την Ευρώπη. Αν είναι έτσι, οι πάγοι θα μπορούσαν να διαδραματίσουν βασικό ρόλο στην επαγωγή των μαγνητόσφαιρων που περιβάλλουν αυτούς τους κόσμους, ή άλλους πέρα από το ηλιακό μας σύστημα. Προς το παρόν, υπάρχουν πολλές ακόμη ιδιότητες του νέου πάγου προς διερεύνηση, όπως η αγωγιμότητα, το ιξώδες και η χημική του σταθερότητα.

Οι ερευνητές δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στις 14 Οκτωβρίου στο περιοδικό «Nature Physics».