O πάγος υπάρχει σε πολλές μορφές, ακόμη και όταν αποτελείται μόνο από μόρια νερού. Οι επιστήμονες έχουν πλέον ταυτοποιήσει περισσότερες από 20 μοναδικές στερεές δομές, ή «φάσεις», του πάγου, καθεμία με τη δική της μοριακή διάταξη. Αυτές οι παραλλαγές χαρακτηρίζονται με ρωμαϊκούς αριθμούς, όπως πάγος I, πάγος II και πάγος III.
Σε μια πρόσφατη ανακάλυψη, μια διεθνής ομάδα ερευνητών με επικεφαλής επιστήμονες από το Ινστιτούτο Ερευνών Πρότυπων και Επιστήμης της Κορέας (KRISS) εντόπισε μια εντελώς νέα φάση γνωστή ως πάγος XXI. Με τη χρήση των προηγμένων εγκαταστάσεων με ακτίνες Χ στο XFEL και στο PETRA III, η ομάδα κατέγραψε και ανέλυσε, την άγνωστη μέχρι πρότινος δομή. Τα ευρήματά τους, δημοσιεύτηκαν στο Nature Materials.
Ο πάγος XXI δεν μοιάζει με καμία άλλη μορφή πάγου που έχει παρατηρηθεί μέχρι σήμερα. Αναπτύσσεται όταν το υγρό νερό υποβάλλεται σε ταχεία συμπίεση, δημιουργώντας αυτό που οι επιστήμονες αποκαλούν “υπερσυμπιεσμένο νερό” σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτή η φάση είναι μετασταθής, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να διατηρηθεί για κάποιο χρονικό διάστημα, παρόλο που μια άλλη μορφή πάγου θα ήταν κανονικά πιο σταθερή υπό τις ίδιες συνθήκες. H ανακάλυψη προσφέρει νέα, πολύτιμα στοιχεία για το πώς συμπεριφέρεται και μεταμορφώνεται ο πάγος υπό ακραία πίεση.
Η περιπλοκότητα ενός απλού μορίου
Παρόλο που το νερό H2O, αποτελείται από μόλις δύο στοιχεία, στη στερεή του μορφή εμφανίζει αξιοσημείωτη περιπλοκότητα. Οι περισσότερες φάσεις παρατηρούνται σε υψηλές πιέσεις και χαμηλές θερμοκρασίες. Η ομάδα έχει μάθει περισσότερα για το πώς σχηματίζονται και μεταβάλλονται οι διαφορετικές φάσεις του πάγου ανάλογα με την πίεση.
«Η ταχεία συμπίεση του νερού του επιτρέπει να παραμένει υγρό σε υψηλότερες πιέσεις, όπου υπό κανονικές συνθήκες θα είχε ήδη κρυσταλλωθεί σε πάγο VI», εξηγεί ο επιστήμονας του KRISS, Geun Woo Lee. Ο πάγος VI είναι μια ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα φάση, η οποία πιστεύεται ότι υπάρχει στο εσωτερικό παγωμένων δορυφόρων όπως ο Τιτάνας και η Γανυμήδης. Η ιδιαίτερα παραμορφωμένη δομή του μπορεί να επιτρέπει σύνθετες μεταβατικές διαδρομές που οδηγούν σε μετασταθείς φάσεις πάγου.
Δεδομένου ότι οι περισσότερες παραλλαγές του πάγου υπάρχουν μόνο υπό ακραίες συνθήκες, οι ερευνητές δημιούργησαν υψηλές πιέσεις χρησιμοποιώντας κυψέλες άκμονος διαμαντιού. Το δείγμα — σε αυτή την περίπτωση νερό — τοποθετείται ανάμεσα σε δύο διαμάντια, τα οποία μπορούν να δημιουργήσουν πολύ υψηλή πίεση λόγω της σκληρότητάς τους. Το νερό εξετάστηκε υπό πιέσεις έως δύο gigapascal, δηλαδή περίπου 20.000 φορές μεγαλύτερες από την κανονική ατμοσφαιρική πίεση. Αυτό προκαλεί τον σχηματισμό πάγου ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά τα μόρια είναι πολύ πιο πυκνά συσκευασμένα σε σχέση με τον κανονικό πάγο.
Για να παρατηρήσουν τον σχηματισμό του πάγου υπό διαφορετικές συνθήκες πίεσης, οι ερευνητές πρώτα δημιούργησαν υψηλή πίεση δύο gigapascal μέσα σε 10 millisecond (ένα millisecond είναι το ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου). Στη συνέχεια απελευθέρωσαν το κύτταρο άκμονος διαμαντιού σε διάστημα 1 δευτερολέπτου και επανέλαβαν τη διαδικασία. Κατά τη διάρκεια αυτών των κύκλων, η ομάδα χρησιμοποίησε τις εκλάμψεις ακτίνων Χ του European XFEL για να καταγράψει εικόνες του δείγματος κάθε μικροδευτερόλεπτο — δηλαδή ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου. Με τον εξαιρετικά υψηλό ρυθμό παλμών ακτίνων Χ — που λειτουργεί σαν μια κάμερα υψηλής ταχύτητας — μπόρεσαν να δημιουργήσουν ταινίες για το πώς σχηματίστηκε η δομή του πάγου.
Αποκρυσταλλώνοντας την ανακάλυψη
Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας τη δέσμη P02.2 στο PETRA III, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ο πάγος XXI έχει τετραγωνική κρυσταλλική δομή αποτελούμενη από εκπληκτικά μεγάλα επαναλαμβανόμενα τμήματα, γνωστές ως κυψελίδες μονάδων (unit cells).
«Με τους μοναδικούς παλμούς ακτίνων Χ του European XFEL, αποκαλύψαμε πολλαπλές διαδρομές κρυστάλλωσης στο H₂O, το οποίο υπέστη γρήγορη συμπίεση και αποσυμπίεση πάνω από 1000 φορές χρησιμοποιώντας μια δυναμική κυψέλη άκμονος διαμαντιού», εξηγεί ο Lee. «Σε αυτήν την ειδική κυψέλη πίεσης, τα δείγματα πιέζονται ανάμεσα στις άκρες δύο αντίθετων ακμόνων διαμαντιού και μπορούν να συμπιεστούν ακολουθώντας μια προκαθορισμένη πορεία πίεσης», αναφέρει ο Cornelius Strohm από την ομάδα DESY HIBEF, που υλοποίησε αυτή τη διάταξη στο όργανο High Energy Density (HED) του European XFEL.
«Η δομή στην οποία κρυσταλλώνεται το υγρό H2O εξαρτάται από το βαθμό υπερσυμπίεσης του υγρού», λέει ο Lee.
«Τα ευρήματά μας υποδεικνύουν ότι μπορεί να υπάρχουν περισσότερες μετασταθείς φάσεις πάγου υψηλής θερμοκρασίας και οι αντίστοιχες διαδρομές μετάβασης τους, προσφέροντας ενδεχομένως νέες γνώσεις για τη σύνθεση των παγωμένων δορυφόρων», προσθέτει η Rachel Husband από την ομάδα DESY HIBEF.
Και οι δύο, το DESY και το Ευρωπαϊκό XFEL, καταβάλλουν συντονισμένες προσπάθειες για να κατανοήσουν καλύτερα το νερό: το DESY μέσω της κοινής πρωτοβουλίας Κέντρο Μοριακής Επιστήμης Νερού, και το Ευρωπαϊκό XFEL μέσω του προγράμματοςWater Call, την πρωτοβουλία χάρη στην οποία πραγματοποιήθηκε αυτή η έρευνα.
Η Sakura Pascarelli, Επιστημονική Διευθύντρια στο Ευρωπαϊκό XFEL, σημειώνει: «Είναι καταπληκτικό να βλέπουμε ένα ακόμη εξαιρετικό αποτέλεσμα από το Water Call, μια πρωτοβουλία που καλεί τους επιστήμονες να προτείνουν καινοτόμες μελέτες για το νερό. Ανυπομονούμε για πολλές ακόμη συναρπαστικές ανακαλύψεις στο μέλλον».
