Νέα εξωτική μορφή πάγου ανακαλύφθηκε στο εργαστήριο: Πώς αλλάζει η κατανόηση για το νερό στο Σύμπαν

Στην καθημερινότητά μας, το νερό θεωρείται ένα από τα πιο οικεία και προβλέψιμα στοιχεία της φύσης, με τις τρεις γνωστές καταστάσεις του: υγρό, ατμός και πάγος. Ωστόσο, σε συνθήκες ακραίας πίεσης και θερμοκρασίας, το πιο κρίσιμο για τη ζωή μόριο μεταμορφώνεται σε εξωτικές δομές που ξεπερνούν τους κανόνες της κλασικής φυσικής. Μια πρωτοποριακή μελέτη που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Communications Chemistry αποκαλύπτει μια άγνωστη έως σήμερα κατάσταση του πάγου, επιβεβαιώνοντας εργαστηριακά φαινόμενα που μέχρι πρότινος υπήρχαν μόνο σε θεωρητικά υπολογιστικά μοντέλα.

Το πείραμα με τα διαμάντια και η κατάρρευση της συμμετρίας

Για να προσομοιώσουν συνθήκες που δεν συναντώνται πουθενά στη γήινη επιφάνεια, οι ερευνητές με επικεφαλής τον φυσικό Ασκάν Σαλαμάτ από το Πανεπιστήμιο της Νεβάδα στο Λας Βέγκας χρησιμοποίησαν ένα κελί άκμονα διαμαντιού. Παγιδεύοντας μια απειροελάχιστη ποσότητα νερού ανάμεσα στις αιχμές δύο διαμαντιών, άσκησαν τεράστια μηχανική πίεση, εκμεταλλευόμενοι την ανυπέρβλητη σκληρότητα του ορυκτού.

Η πίεση στον θάλαμο ξεπέρασε τα 222 γιγαπασκάλ (GPa), μέγεθος που ισοδυναμεί με περισσότερες από 2,2 εκατομμύρια φορές την ατμοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας. Αναλύοντας το δείγμα μέσω περίθλασης ακτίνων Χ, η επιστημονική ομάδα χαρτογράφησε με ακρίβεια τις θέσεις των ατόμων και παρατήρησε μια απρόσμενη ανατροπή. Ενώ υπό υψηλή συμπίεση τα στερεά υλικά τείνουν να σχηματίζουν πιο συμμετρικές και πυκνές κρυσταλλικές δομές, στην προκειμένη περίπτωση το κρυσταλλικό πλέγμα του πάγου «παραμορφώθηκε» πλήρως.

Μέχρι σήμερα είναι καταγεγραμμένες περισσότερες από είκοσι μορφές πάγου. Ανάμεσά τους ξεχωρίζει ο «πάγος Χ» (Ice X), ο οποίος διαμορφώνει μια τέλεια κυβική διάταξη γύρω στα 50 GPa, με τα άτομα υδρογόνου να ισαπέχουν από τα γειτονικά άτομα οξυγόνου. Όπως έδειξε το πείραμα, όταν η πίεση υπερέβη τα 222 GPa, η κυβική συμμετρία κατέρρευσε οριστικά, δίνοντας τη θέση της σε μια ασύμμετρη και «τεντωμένη» κρυσταλλική διάταξη που δεν είχε καταγραφεί ποτέ ξανά στο εργαστήριο.

Αποκαλύπτοντας τα μυστικά του Ουρανού, του Ποσειδώνα και των εξωπλανητών

Οι συνθήκες αυτές δεν αποτελούν απλώς ένα εργαστηριακό αξιοπερίεργο, καθώς προσομοιώνουν το ακραίο περιβάλλον που επικρατεί βαθιά στο εσωτερικό των παγωμένων γιγάντων του Ηλιακού Συστήματος, όπως ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας. Στα έγκατα αυτών των πλανητών βρίσκονται τεράστιες ποσότητες νερού, μεθανίου και αμμωνίας υπό ασύλληπτη συμπίεση.

Η ακριβής διάταξη των ατόμων σε τέτοια βάθη καθορίζει κρίσιμες φυσικές παραμέτρους: την πυκνότητα του πλανητικού μανδύα, τη μεταφορά θερμότητας προς την επιφάνεια, καθώς και την ηλεκτρική αγωγιμότητα του υλικού. Οι ιδιότητες αυτές συνδέονται άμεσα με τη δημιουργία των ασυνήθιστων και ασύμμετρων μαγνητικών πεδίων που περιβάλλουν τους εν λόγω πλανήτες, αλλά και με τις χημικές αντιδράσεις ανάμεσα στο νερό και τα μεταλλικά πετρώματα των πυρήνων τους.

Αν και το συγκεκριμένο πείραμα διεξήχθη σε θερμοκρασία δωματίου —ενώ στους πλανητικούς μανδύες επικρατούν θερμοκρασίες χιλιάδων βαθμών Κελσίου που πιθανώς οδηγούν σε «υπεριοντικές» φάσεις νερού—, τα ευρήματα προσφέρουν θεμελιώδη δεδομένα. Καθώς τα σύγχρονα διαστημικά τηλεσκόπια ανακαλύπτουν διαρκώς νέους υδάτινους εξωπλανήτες, γίνεται σαφές ότι η συμπεριφορά του μορίου του νερού στο Σύμπαν κρύβει ακόμη ανεξερεύνητες πτυχές.