یخ، حتی اگر تنها از مولکول های آب تشکیل شده باشد، در اشکال مختلفی وجود دارد. دانشمندان تاکنون بیش از 20 ساختار جامد یا فاز منحصربه فرد از یخ را شناسایی کرده اند که هر کدام دارای آرایش مولکولی خاص خود هستند. انواع مختلف یخ با اعداد رومی (مانند یخ I، یخ II، و یخ III) نام گذاری می شوند.

به گزارش خبرآنلاین، اکنون یک تیم بین المللی به رهبری دانشمندان مؤسسه تحقیقات استاندارد و علوم کره (KRISS)، یک فاز کاملاً جدید به نام یخ XXI را کشف کرده اند. این تیم با استفاده از تأسیسات پیشرفته اشعه ایکس در European XFEL و PETRA III، ساختار ناشناخته این یخ را ثبت و تجزیه و تحلیل کردند.

یخ XXI شبیه هیچ شکل دیگری از یخ که تاکنون مشاهده شده نیست. این یخ زمانی تشکیل می شود که آب مایع تحت فشردگی سریع قرار گیرد و چیزی را که دانشمندان آن را آب فوق فشرده می نامند، در دمای اتاق ایجاد می کند. این فاز، یک فاز نیمه پایدار (Metastable) است؛ به این معنی که این یخ در شرایطی می تواند سالم بماند که قاعدتا نوع دیگری از یخ باید در همان شرایط پایدارتر باشد. این کشف، اطلاعات جدید و ارزشمندی را در مورد نحوه رفتار و دگرگونی یخ تحت فشار شدید ارائه می دهد.

آب یا H2​O، با وجود اینکه فقط از دو عنصر تشکیل شده، پیچیدگی قابل توجهی را در حالت جامد خود نشان می دهد. بیشتر فازهای یخ در فشارهای بالا و دماهای پایین مشاهده می شوند. این تیم تحقیقاتی اطلاعات بیشتری در مورد چگونگی تشکیل و تغییر فازهای مختلف یخ با فشار کسب کرده اند.

گون وو لی، دانشمند KRISS، توضیح می دهد که فشردگی سریع آب اجازه می دهد تا در فشارهای بالاتر همچنان مایع باقی بماند، در حالی که در آن فشارها قبلاً باید به یخ VI تبدیل شده باشد. یخ VI یک فاز به شدت جذاب است که گمان می رود در فضای داخلی ماه های یخی مانند تیتان و گانیمد وجود داشته باشد. ساختار بسیار تحریف شده آن ممکن است مسیرهای گذار پیچیده ای را ایجاد کند که منجر به فازهای یخ نیمه پایدار می شوند.

از آنجایی که بیشتر گونه های یخ فقط در شرایط بسیار سخت و تحت فشار زیاد وجود دارند، محققان شرایط فشار زیاد را با استفاده از سلول های سندان الماسی (Diamond Anvil Cells) ایجاد کردند. در این مورد، آب بین دو الماس قرار داده می شود که به دلیل سختی آن ها می توان از آن ها برای ایجاد فشار بسیار زیاد استفاده کرد. آب تحت فشار تا دو گیگاپاسکال مورد بررسی قرار گرفت که حدود 20.000 برابر فشار هوای معمولی است. این فشار باعث می شود یخ حتی در دمای اتاق نیز تشکیل شود، اما مولکول ها بسیار متراکم تر از یخ معمولی در کنار هم قرار بگیرد.

در این محفظه، یخ XXI با استفاده از سلول های سندان الماسی (Diamond Anvil Cells) تولید شده و سپس با استفاده از پالس های شدید و فوق کوتاه اشعه ایکس European XFEL مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.

برای مشاهده تشکیل یخ تحت شرایط فشار متفاوت، محققان ابتدا فشار بالای دو گیگاپاسکال را در عرض 10 میلی ثانیه (یک میلی ثانیه یک هزارم ثانیه است) ایجاد کردند. سپس فشار سلول سندان را در یک دوره 1 ثانیه ای آزاد کردند و این فرآیند را تکرار کردند. در طول این چرخه ها، تیم از فلاش های اشعه ایکس European XFEL استفاده کرد تا هر میکروثانیه (یک میلیونیم ثانیه) از نمونه عکس بگیرد. با نرخ فوق العاده بالای پالس های اشعه ایکس (که مانند یک دوربین با سرعت بالا عمل می کند)، آن ها توانستند فیلم هایی از نحوه تشکیل ساختار یخ بسازند.

سپس، محققان با استفاده از خط پرتو P02.2 در PETRA III، تعیین کردند که یخ XXI دارای یک ساختار بلوری تتراگونال است که از واحدهای تکراری و به طور شگفت انگیزی بزرگی به نام سلول های واحد (Unit Cells) ساخته شده است.

لی توضیح می دهد که با استفاده از پالس های منحصر به فرد اشعه ایکس European XFEL، محققان توانسته اند مسیرهای تبلور متعددی را در آب (H2​O) کشف کنند. این مسیرها پس از بیش از 1000 بار فشرده سازی و آزاد کردن فشار نمونه توسط یک سلول سندان الماسی دینامیکی ایجاد شده اند. کورنلیوس استروم از تیم DESY HIBEF که این تجهیزات را در European XFEL پیاده سازی کرده است، بیان می کند که در این سلول فشار خاص، نمونه ها بین نوک دو سندان الماسی مقابل هم فشرده می شوند و می توان آن ها را در طول یک مسیر فشار از پیش تعریف شده فشرده کرد.

لی همچنین می گوید ساختاری که آب مایع در آن متبلور می شود، به درجه فوق فشردگی مایع بستگی دارد. ریچل هاسبند از تیم DESY HIBEF نیز توضیح می دهد یافته های آن ها نشان می دهد که احتمال وجود تعداد بیشتری از فازهای یخ نیمه پایدار در دمای بالا و مسیرهای گذار مرتبط با آن ها وجود دارد که به طور بالقوه دید تازه ای در مورد ترکیب ماه های یخی ارائه می دهد.

هر دو مرکز DESY از طریق همکاری با مرکز علم آب مولکولی و European XFEL از طریق برنامه Water Call در تلاش برای درک بهتر آب هستند. ساکورا پاسکارلی، مدیر علمی European XFEL، خاطرنشان می کند که این یک دستاورد بزرگ دیگر از برنامه Water Call است که از دانشمندان دعوت می کند تا مطالعات نوآورانه ای را در مورد آب پیشنهاد دهند.