Dondurma birçok farklı tatta gelir. Ancak yalnızca su moleküllerinden oluşan saf buzun bile, moleküllerin düzeninde farklılık gösteren 20’den fazla farklı katı formda veya fazda var olduğu keşfedildi. Fazlar, buz I, buz II veya buz III gibi Romen rakamlarıyla adlandırılır. Şimdi, Kore Standartlar ve Bilim Araştırma Enstitüsü’nden (KRISS) bilim adamlarının liderliğindeki araştırmacılar, buz XXI adı verilen yeni bir aşamayı tanımladı ve tanımladı. Sonuçlar dergide yayınlanır Doğa Malzemeleri.
Uluslararası araştırma ekibi, deneylerini dünyanın en büyük X-ışını lazeri olan Avrupa XFEL ve DESY’nin yüksek enerjili foton kaynağı Petra III’te gerçekleştirdi. Ice XXI, yapısal olarak buzun daha önce gözlemlenen tüm aşamalarından farklıdır. Suyun oda sıcaklığında hızla süper sıkıştırılmış suya sıkıştırılmasıyla oluşur ve yarı kararlıdır; bu, başka bir buz biçiminin bu koşullarda daha kararlı olmasına rağmen bir süre var olabileceği anlamına gelir. Keşif, yüksek basınçlı buzun nasıl oluştuğuna dair önemli bilgiler sunuyor.
Su veya H2O, yalnızca iki elementten oluşmasına rağmen katı halinde dikkate değer bir karmaşıklık sergiliyor. Fazların çoğunluğu yüksek basınç ve düşük sıcaklıklarda gözlenir. Ekip, farklı buz evrelerinin basınçla nasıl oluştuğu ve değiştiği hakkında daha fazla şey öğrendi.
KRISS bilim insanı Geun Woo Lee şöyle açıklıyor: “Suyun hızla sıkıştırılması, daha yüksek basınçlara kadar sıvı kalmasına olanak tanıyor; zaten buz VI olarak kristalleşmesi gerekirken.” Buz VI, Titan ve Ganymede gibi buzlu uyduların iç kısmında mevcut olduğu düşünülen özellikle ilgi çekici bir aşamadır. Oldukça çarpık yapısı, yarı kararlı buz fazlarına yol açan karmaşık geçiş yollarına izin verebilir.
Çoğu buz çeşidi yalnızca aşırı koşullar altında mevcut olduğundan, araştırmacılar elmas örs hücreleri kullanarak yüksek basınç koşulları yarattılar. Numune (bu durumda su), sertlikleri nedeniyle çok yüksek basınç oluşturmak için kullanılabilen iki elmas arasına yerleştirilir. Su, normal hava basıncının yaklaşık 20.000 katı olan iki gigapaskal’a kadar olan basınç altında incelendi. Bu, oda sıcaklığında bile buzun oluşmasına neden olur, ancak moleküller normal buzdan çok daha sıkı bir şekilde paketlenmiştir.
Farklı basınç koşulları altında buz oluşumunu gözlemlemek için, araştırmacılar ilk olarak 10 milisaniye içinde (milisaniye saniyenin binde biri kadardır) saniyede 120 gigapaskal sıkıştırma oranıyla iki gigapaskallık yüksek bir basınç oluşturdular. Daha sonra örs hücresini 1 saniyelik bir süre içinde serbest bıraktılar. Bu, bir elektrik alanı uygulandığında piezoelektrik malzemelerin genleşme veya daralma yeteneğinden yararlanan bir piezo-elektrik tahrik ile başarıldı.
Bu döngüler sırasında ekip, numunenin her mikrosaniyede (saniyenin milyonda biri) görüntülerini yakalamak için Avrupa XFEL’in X-ışını flaşlarını kullandı. Yüksek hızlı bir kamera gibi çalışan son derece yüksek X-ışını darbeleri oranıyla, buz yapısının nasıl oluştuğuna dair filmler çekebildiler. PETRA III’teki P02.2 ışın hattında yapılan bir takip deneyi sırasında, buz XXI’in, birim hücre adı verilen şaşırtıcı derecede büyük tekrarlayan birimlerden oluşan dörtgen bir kristal yapıya sahip olduğunu belirlediler.
“Avrupa XFEL’in benzersiz X-ışını darbeleriyle, H’de birden fazla kristalleşme yolunu ortaya çıkardık.2O, dinamik bir elmas örs hücresi kullanılarak 1000’den fazla kez hızla sıkıştırılmış ve sıkıştırılmış kısmı açılmıştır” diye açıklıyor Lee.
Avrupa XFEL’in Yüksek Enerji Yoğunluğu (HED) cihazında bu kurulumu uygulayan DESY HIBEF ekibinden Cornelius Strohm, “Bu özel basınç hücresinde, numuneler karşılıklı iki elmas örsün uçları arasına sıkıştırılır ve önceden tanımlanmış bir basınç yolu boyunca sıkıştırılabilir” diyor.
“Sıvı H’nin bulunduğu yapı2O’nun kristalleşmesi, sıvının aşırı sıkışma derecesine bağlıdır” diyor Lee.
DESY HIBEF ekibinden Rachel Husband, “Bulgularımız, daha fazla sayıda yüksek sıcaklıkta yarı kararlı buz fazlarının ve bunlarla ilişkili geçiş yollarının var olabileceğini ve buzlu ayların bileşimine ilişkin potansiyel olarak yeni bilgiler sunabileceğini gösteriyor” diye ekliyor.
Avrupa XFEL Bilimsel Direktörü Sakura Pascarelli şunları söylüyor: “Bilim adamlarını su hakkında yenilikçi çalışmalar önermeye davet eden bir girişim olan Su Çağrımızdan bir başka harika sonuç görmek harika. Önümüzdeki birçok heyecan verici keşif için sabırsızlanıyoruz.”
