O formă bizară de apă poate exista în toate colțurile universului

Recent, la Laboratorul de Energetică Laser din Brighton, New York, unul din cele mai puternice lasere din lume a explodat o picătură de apă, creând o undă de şoc care a ridicat presiunea apei la milioane de atmosfere şi temperatura la mii de grade.

Razele X ce treceau prin picătură în aceeași fracțiune de secundă, a oferit umanității posibilitatea de a arunca o primă privire asupra apei în astfel de condiții extreme.

Razele X au arătat că apa din interiorul undei de şoc nu a devenit lichid sau gaz supraîncălzit.

Oricât de paradoxal nu ar părea — dar, aşa cum se aşteptaseră fizicienii ce priveau pe furiş ecranele din camera adiacentă — atomii au îngheţat, formând gheaţă cristalină.

“De îndată ce auzi împușcătura”, a spus Marius Millot (en) de la Laboratorul Naţional Lawrence Livermore din California, “imediat vezi că s-a întâmplat ceva interesant”.

Millot a condus experimentul cu Federica Coppari, de asemenea, de la Lawrence Livermore.

Constatările, publicate recent în Nature, confirmă existenţa “gheţii supraionice”, o nouă fază a apei cu proprietăți bizare.

Spre deosebire de gheaţa obișnuită de la voi din congelator sau de la polul nord, gheaţa supraionică este neagră şi fierbinte.

Un cub de această gheaţă cântărește de patru ori mai mult decât unul obişnuit.

Ea a fost pentru prima dată prezisă teoretic cu mai mult de 30 de ani în urmă şi, deşi niciodată nu a fost văzută până acum, oamenii de ştiinţă cred că ea ar putea fi printre cele mai abundente forme de apă în univers.

Cel puţin, prin sistemul nostru solar, probabil există mai multă apă sub formă de gheaţă supraionică — umplând interiorul lui Uranus şi Neptun — decât sub oricare altă fază, inclusiv cea lichidă ce se plescăie în oceanele de pe Pământ, în sateliţii Europa şi Enceladus.

Vedeţi şi: Molecule organice complexe au fost descoperite pe Enceladus

Vedeţi şi: 7 locuri din sistemul nostru solar unde se presupune că ar putea exista viaţă extraterestră

Descoperirea gheţii supraionice, potenţial poate rezolva problema veche de zeci de ani privind compoziţia acestor lumi “gigante de gheaţă”.

Inclusiv aranjamentul hexagonal al moleculelor de apă găsite în gheaţa obişnuită, cunoscută sub numele de “gheaţa Ih” (Ice I_h — gheaţa obişnuită).

Oamenii de știință, deja au descoperit un uimitor număr de 18 arhitecturi de cristale gheaţă.

După gheaţa I, care e reprezentată sub două forme, Ih şi Ic, restul sunt numerotate de la II până la XVII, în ordinea descoperirii lor.

(Da, există gheaţă IX, dar ea există doar în condiţii speciale.)

Gheaţa supraionică poate pretinde acum titlul de Ice XVIII.

Acesta este un nou cristal, dar cu o întorsătură.

Vedeţi şi: Oficial deja: Cristalele de timp sunt o nouă stare a materiei

Toate formele de gheaţă de apă cunoscute anterior sunt compuse din molecule de apă intacte, fiecare având un atom de oxigen legat de doi de hidrogen.

Dar, gheaţa supraionică, după cum confirmă ultimele măsurători, este diferită.

Ea există într-o stare intermediară surrealistă, o parte solidă, o parte lichidă.

Vedeţi şi: Oamenii de ştiinţă pentru prima dată au obţinut “lumină lichidă” la temperatura camerei

Moleculele individuale de apă se separă.

Atomii de oxigen formează o reţea cubică, iar atomii de hidrogen se mişcă liber, curgând ca un lichid prin colivia rigidă de oxigen.

Experţii spun că descoperirea gheții ar putea ajuta fizicienii să creeze pe viitor materiale noi cu proprietăți personalizate.

Găsirea gheţii necesită măsurători ultra-rapide şi un control fin al temperaturii şi presiunii, avansând astfel tehnicile experimentale.

“Toate acestea nu ar fi fost posibile, să zicem, acum cinic ani”, a spus Christoph Salzmann (en) de la Universitatea College din Londra, cel care a descoperit gheaţa XIII, XIV şi XV.

“Aceasta, cu siguranţă, va avea un impact imens”.

În dependenţă de cel pe care întrebaţi, gheaţa supraionică este fie un alt adaos la gama de reîncarnări dezordonate deja existente a apei, fie ceva mai deosebit.

Deoarece moleculele sale de apă se despart, aceasta nu este pe deplin o nouă fază a apei, a spus fizicianul Livia Bove de la Centrul Naţional de Cercetare Ştiinţifică din Franţa şi Universitatea Pierre şi Marie Curie.

“În realitate, aceasta este o nouă stare a materiei”, a spus ea (en), “ce este destul de spectaculos”.

Puzzle-uri puse pe gheaţă

Fizicienii se află în căutarea gheţii supraionice de ani de zile — începând de la simularea primitivă de calculator, efectuată sub conducerea lui Pierfranco Demontis în 1988, ce a prezis(en) că apa ar putea lua această formă ciudată, aproape metalică, dacă va fi împinsă dincolo de limitele fazelor de gheaţă cunoscute.

La o presiune şi căldură extremă, simulările au sugerat, moleculele de apă se rup.

Cu atomi de oxigen blocaţi într-o reţea cubică, “atomii de hidrogen încep să sară de la o poziţie în cristal la alta, să sară şi sară din nou”, a spus Millot (en).

Săriturile prin reţelele moleculare sunt atât de rapide, încât atomii de hidrogen — care sunt ionizaţi, făcându-i în esenţă protoni încărcaţi pozitiv — par să se mişte ca un lichid.

Acest fapt sugerează că gheaţa supraionică ar conduce electricitatea ca un metal, unde hidrogenul joacă rolul de electroni.

Având aceşti atomi liberi de hidrogen țâșnind peste tot, de asemena, sporeşte dezordinea, sau entropia.

La rândul său, această creştere a entropiei ar face această gheaţă să fie mult mai stabilă decât alte tipuri de cristale de gheaţă, făcând ca punctul ei de topire să se avânte în sus.

Dar toate acestea erau uşor de imaginat dar greu crezut.

Primele modele au folosit fizica simplificată, lăsate să deruleze pe seama naturii cuantice a moleculelor reale.

Mai târziu, simulările au fost diversificate pe mai multe efecte cuantice, dar totuşi au evitat numărul real de ecuaţii necesare pentru a descrie interacțiunile mai multor organisme cuantice, care sunt prea dificil de rezolvat din punct de vedere computaţional.

În schimb, ei s-au bazat pe aproximări, ridicând posibilitatea ca întregul scenariu să fie doar un miraj de simulare.

Experimentele, între timp, nu au putut creea presiunea necesară fără ca să genereze, de asemenea, şi suficientă căldură pentru a topi chiar şi această substanţă rezistentă.

Pe măsură ce problema mocnea, oamenii de ştiinţă planetari, totuşi, şi-au dezvoltat propriile bănuieli că apa ar putea avea o fază supraionică de gheaţă.

Chiar în perioada în care a fost pentru prima dată prezisă faza, sonda Voyager 2 naviga în sistemul solar exterior, descoperind ceva ciudat în câmpurile magnetice ale giganţilor de gheaţă Uranus şi Neptun.

Câmpurile magnetice din jurul altor planete ale sistemului solar par a fi strict definite cu poli de nord şi sud, fără o altă structură deosebită.

Este aproape ca şi cum ar avea doar magneţi bară în centrele lor, aliniate cu axele lor de rotaţie.

Oamenii de ştiinţă planetari atribuie aceasta “dinamurilor”: regiuni interioare în care fluidele conductoare se ridică şi se învârt, pe măsură ce planeta se roteşte, declanșând câmpuri magnetice imense.

Câmpurile magnetice emise de Uranus şi Neptun, dimpotrivă, păreau mai îngrămădite şi mai complexe, cu mai mult de doi poli.

De aemenea, ei nu se aliniază aşa de strâns cu rotaţia planetelor lor.

O modalitatea de a reproduce acest lucru, ar fi limitarea cumva a fluidului conducător responsabil de dinamă doar la o scoarţă exterioară subţire a planetei, în loc să-i permitem să ajungă la nucleu.

Dar ideea că aceste planete ar putea avea nuclee solide, ce sunt incapabile să genereze dinamuri, nu părea reală.

Dacă aţi fora în aceşti giganţi de gheaţă, v-aţi aștepta să dați mai întâi de un strat de apă ionică, ce va curge, va conduce curenții şi va participa la un dinam.

Naiv, se pare că şi materialul mai adânc, la temperaturi mai calde, ar fi, de asemenea, fluid.

“Eu întotdeauna glumeam că nu există nici o posibilitate ca interioarele lui Uranus şi Neptun să fie solide”, a declarat Sabine Stanley (en) de la Universitatea Johns Hopkins.

“Dar acum se pare că că e posibil”.

Gheaţă pe explozie

Acum, în cele din urmă, Coppari, Millot şi echipa lor au strâns toate piesele puzzle-ului la un loc.

Într-un experiment anterior (en), publicat în februarie 2018, fizicienii s-au bazat pe dovezi indirecte a gheţii superionice.

Ei au strâns o picătură de apă la temperatura camerei între capetele ascuţite a două diamante.

Pe măsură ce presiunea a crescut la aproximativ un gigapascal, aproximativ de 10 ori mai mare decât la fundul Gropii Marianelor, apa s-a transformat într-un cristal tetragonal, numit gheaţa VI.

La aproximativ 2 gigapascali, ea a trecut la gheaţa VII, o formă cubică mai densă, transparentă cu ochiul liber, pe care oamenii de ştiinţă, de asemenea, au descoperit-o recent că există în mici buzunărașe din interiorul diamantelor naturale.

Apoi, utilizând laserul OMEGA de la Laboratorul pentru Energetică Laser, Millot şi colegii săi au ţintit gheaţa VII, aflată încă între nicovala de diamante.

În timp ce laserul a lovit suprafaţa diamantului, el a vaporizat materialul în sus, efectiv aruncând diamantul în partea opusă, trimiţând o undă de şoc prin gheaţă.

Echipa lui Millot a descoperit că gheaţa lor super-presată s-a topit la aproximativ 4700 de grade Celsius, cam cum şi era de aşteptat în cazul gheţii supraionice, şi că ea conducea electricitatea datorită mişcării protonilor încărcați.

Cu aceste previziuni ale proprietăţilor gheţii supraionice stabilite împreună, noul studiu condus de Coppari şi Millot a realizat următorul pas de-ai confirma structura.

“Dacă doriţi cu adevărat să demonstraţi că ceva este cristalin, atunci aveţi nevoie de difracţie cu raze X“, a spus Salzmann (en).

Noul lor experiment a ignorat pe deplin gheaţa VI şi VII.

În schimb, echipa a lovit apa aflată între nicovala de diamante cu o rafală laser.

Miliardimi din secundă mai târziu, pe măsură ce undele de şoc au trecut prin apă şi ea a început să se cristalizeze în cuburi de gheaţă nanometrice, oamenii de ştiinţă au mai folosit încă 16 raze laser pentru a evapora un fir subţire de fier de lângă probă.

Plasma fierbinte rezultată, a inundat apa cristalizată cu raze X, care apoi au difractat de la cristalele de gheaţă, permițând echipei să le dezvăluie structura.

Atomii din apă s-au rearanjat în arhitectura de mult prezisă, dar care nu a fost niciodată văzută, gheaţa XVIII: o reţea cubică cu atomi de oxigen în fiecare colţ şi în centrul feţelor.

“Aceasta este un progres”, a spus Coppari (en).

“Faptul că existenţa acestei faze nu este un artefact al simulărilor dinamice moleculare cuantice, dar e reală — este foarte consolator”, a spus Bove (en).

Şi acest tip de verificare încrucișată reuşită din spatele simulărilor şi a gheţii supraionice, sugerează că ultimul “vis” al cercetătorilor fizicii materiei ar putea fi în curând atins.

“Voi îmi spuneţi ce proprietăți doriţi într-un material, după care noi mergem la calculator şi deducem teoretic de ce material şi ce structură cristal aveţi nevoie”, a declarat Raymond Jeanloz (en), un membru al echipei ce a efectuat descoperirea de la Universitatea din California, Berkeley.

De asemenea, noile analize indică că, deşi gheaţa supraionică într-adevăr conduce careva electricitate, el este un solid moale.

El va curge cu timpul, dar nu agitat.

În interiorul lui Uranus şi Neptun, straturile fluide s-ar putea să se oprească la 8000 de kilometri adâncime, unde începe o manta enormă de gheaţă supraionică lentă, similară cu cea produsă de echipa lui Millot.

Acest lucru ar putea limita majoritatea acţiunilor dinamei la adâncimi mai mici, explicând câmpurile neobişnuite ale planetelor.

Alte planete şi luni din sistemul nostru solar nu au condițiile necesare de presiune şi temperatură în interior pentru a avea gheaţă supraionică.

Dar multe exoplanete de gheaţă gigantice sugerează că substanţa ar putea fi răspândită în interiorul lumilor îngheţate din întreaga galaxie.

Desigur, nici o planetă reală nu conţine doar apă.

Vedeţi şi: 27 curiozităţi despre apă şi informaţii fascinante

Giganţii de gheaţă din sistemul nostru solar au amestecate şi alte elemente chimice, precum metanul şi amoniacul.

Măsura în care comportamentul supraionic apare în natură “va depinde de faptul dacă aceste faze mai există atunci când amestecăm apa cu alte materiale”, a spus Stanley (en).

Deocamdată, acest lucru nu este clar, deşi alţi cercetători au susţinut (en) că ar trebui să existe şi amoniac supraionic.

Pe lângă extinderea cercetării asupra altor materiale, echipa speră, de asemenea, să-şi concentreze atenţia asupra dualităţii ciudate, aproape paradoxale a cristalelor supraionice.

Doar captarea unei reţele de atomi de oxigen “este fără îndoială cel mai dificil experiment pe care l-am făcut vreodată”, a spus Millot (en).

Ei încă nu au văzut fluxul fantomatic, interstiţial al protonilor prin reţele.

“Din punct de vedere tehnologic noi încă nu avem posibilitatea”, a spus Coppari (en), “dar domeniul se dezvoltă foarte repede”.