ในที่สุดนักวิทยาศาสตร์ก็เข้าใจสิ่งที่อยู่ภายในน้ำแข็ง superionic โดย ราหุล ราว | เผยแพร่เมื่อ 25 ต.ค. 2021 11:58 น.
ศาสตร์
ช่องว่าง
น้ำแข็งเหนือไอออนอาจเป็นตัวกำหนดสนามแม่เหล็กที่แปลกประหลาดของดาวเคราะห์เหล่านั้น ซึ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์งงงวยมาระยะหนึ่งแล้วANTONMATYUKHA / ฝากรูปถ่าย
หากคุณต้องใส่น้ำประปาของคุณให้อยู่ภายใต้แรงกดดันและอุณหภูมิเท่าๆ กับที่ใจกลางโลก—ใช่ น้ำที่ทุบกระดูกและทำให้เนื้อไหม้—มันจะกลายเป็นน้ำแข็งที่มืดและแปลกประหลาดซึ่งไม่ใช่ของเหลวหรือ แข็ง. นักวิทยาศาสตร์เรียกสารนี้ว่า superionic ice และคุณสมบัติของมันยังคงเป็นเรื่องลึกลับสำหรับนักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่
นักวิจัยเพิ่งสามารถสร้างน้ำแข็ง superionic
ในห้องแล็บได้ ตอนนี้ นักวิทยาศาสตร์กลุ่มหนึ่งได้ล้อเลียนคุณสมบัติของมัน ผลลัพธ์ของพวกเขาสามารถไขปริศนาแม่เหล็กในดาวยูเรนัสและเนปจูนได้: น้ำแข็ง Superionic อาจเป็นตัวกำหนดสนามแม่เหล็กที่แปลกประหลาดของดาวเคราะห์เหล่านั้น ซึ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์งงงวยมาระยะหนึ่งแล้ว
นักวิจัยได้ตีพิมพ์ผลงานของพวกเขาเมื่อวันที่ 14 ตุลาคมในวารสารNature Physics
จานสีน้ำแข็งจากธรรมชาติ
เมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็งในชั้นบรรยากาศของโลก โมเลกุลของมันจะแยกตัวออกเป็นรูปหกเหลี่ยมโดยธรรมชาติ นั่นคือเหตุผลที่ ถ้าคุณอาศัยอยู่ในสภาพอากาศที่หนาวเย็นพอ คุณเห็นเกล็ดหิมะที่มีหกด้าน แต่การผลักน้ำในสภาวะสุดขั้วที่ปกติแล้วไม่มีอยู่บนโลก ก็สามารถสร้างเฟสน้ำแข็งแปลก ๆ ได้มากมายเหลือเฟือ น้ำแข็งเหล่านี้มีรูปร่างแปลก ๆ และน้ำแข็งบางชนิดสามารถอยู่ได้ที่อุณหภูมิห้อง—หรือที่จริงแล้ว ร้อนกว่ามาก
ในความกระตือรือร้นของพวกเขาสำหรับชื่อที่สร้างสรรค์ นักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดระยะต่างๆ ของน้ำแข็งด้วยตัวเลขโรมัน น้ำแข็งในเครื่องดื่มเย็นๆ ของคุณ เช่น “ice I” บีบน้ำแข็งนั้นด้วยความดันบรรยากาศของโลก 10,000 เท่า และอาจกลายเป็นน้ำแข็ง VI ซึ่งมีโมเลกุลเป็นปริซึมสี่เหลี่ยม เพิ่มแรงกดดันให้มากขึ้น และอาจกลายเป็นน้ำแข็ง VIIซึ่งโมเลกุลจะตกเป็นลูกบาศก์
คุณยังสามารถพบน้ำแข็ง เช่น น้ำแข็ง XI ซึ่งมีประจุพลิกในสนามไฟฟ้า และน้ำแข็ง XVI ซึ่งถูกกักขังอยู่ใน “กรง” ของน้ำแข็งอื่นๆ และใช่ ถ้าคุณเคยอ่าน Cat’s Cradle ของ Kurt Vonnegut ก็มี “ice IX” แม้ว่าจะไร้พิษภัยก็ตาม
น้ำแข็งที่แปลกประหลาดดังกล่าวอาจไม่แปลกนักในภาพรวม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Ice VII ถูกคิดว่ามีอยู่ภายใต้ทะเลต่างดาวของโลกมหาสมุทรและลึกเข้าไปในดวงจันทร์ Europa ของดาวพฤหัสบดี ใกล้ชิดกับเรามากขึ้น นักวิทยาศาสตร์ได้พบน้ำแข็ง VII ที่ฝังอยู่ภายในเพชรที่ก่อตัวขึ้นในเสื้อคลุมของโลก ความกดดันด้านล่างอาจทำให้น้ำแข็งแบบนี้มีอยู่ได้
ผู้เข้าร่วมล่าสุดในแพนธีออนน้ำแข็งคือน้ำแข็งที่เหนือชั้น ที่นี่ขอบเขตระหว่างน้ำของเหลวกับน้ำแข็งแข็งเริ่มแตกสลาย อะตอมของออกซิเจนของโมเลกุลของน้ำจะจัดอยู่ในลำดับชั้นและแตกตัวเหมือนในของแข็ง แต่อะตอมของไฮโดรเจนจะปล่อยอิเลคตรอน กลายเป็นไอออนที่มีประจุไฟฟ้า และเริ่มกระโดดผ่านน้ำแข็ง เหมือนที่ทำในของเหลว
เป็นน้ำแข็งที่แปลกจริงๆ ประการหนึ่งมันเปลี่ยนเป็นสีเข้ม และแตกต่างจากน้ำบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิห้อง โปรตอนอิสระเหล่านั้นทำให้น้ำแข็ง superionic เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี
ประดิษฐ์น้ำแข็งด้วยเพชรและรังสีเอกซ์
นักวิทยาศาสตร์ได้คาดการณ์เกี่ยวกับน้ำแข็ง superionic ไว้ตั้งแต่ปลายทศวรรษ 1980 Alexander Goncharovนักฟิสิกส์จาก Carnegie Institution for Science ในวอชิงตัน ดี.ซี. และหนึ่งในผู้เขียนบทความ กล่าวว่า “ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา เรากำลังคิดที่จะทำการทดลองแบบ นั้น
แต่เมื่อเร็ว ๆ นี้นักวิทยาศาสตร์สามารถเล่นกับมันในห้องปฏิบัติการ นักวิจัยบางคนได้สร้างน้ำแข็ง superionicโดยการระเบิดน้ำเล็กน้อยด้วยคลื่นกระแทกแรงดันสูง ในปี 2018 พวกเขาวัดค่าการนำไฟฟ้า ในปี 2019 พวกเขาระบุโครงสร้างปากโป้งของอะตอมออกซิเจนที่ทำเครื่องหมายน้ำแข็งเหนือไอออน พวกเขาตั้งชื่อว่า “น้ำแข็ง XVIII”
Sebastien Hamelหนึ่งในนักวิจัยและนักฟิสิกส์จาก Lawrence Livermore National Laboratory ในแคลิฟอร์เนียกล่าวว่าคลื่นกระแทกไม่นานนัก: การทดลองทั้งหมดใช้เวลาสองสามนาโนวินาที
ในเวลาเดียวกัน นักวิจัยอีกกลุ่มหนึ่งกำลังสร้างน้ำแข็ง superionic ของตัวเองด้วยวิธีที่ต่างออกไป แทนที่จะพบน้ำแข็งภายในคลื่นกระแทก พวกเขาต้องการสร้างน้ำแข็งในสภาพแวดล้อมที่นิ่งมากขึ้น ทำให้พวกเขาศึกษามันได้
“เราสามารถระบุโครงสร้างได้” Vitali Prakapenkaนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยชิคาโก และผู้เขียนบทความอีกคนหนึ่งกล่าว “เราสามารถวัดคุณสมบัติทางแสงได้”
แต่การไปถึงที่นั่นเป็นกระบวนการที่น่าเบื่อและยาก ไม่น้อยเพราะมันเกี่ยวข้องกับอุณหภูมิและความกดดันที่เหลือเชื่อที่ใจกลางโลก: ร้อนกว่าพื้นผิวของดวงอาทิตย์ มีความกดอากาศสามถึงครึ่งล้านเท่าของโลก
ในการทำเช่นนั้น นักวิทยาศาสตร์ได้บีบน้ำแข็งภายในทั่งเพชร 0.2 กะรัต เนื่องจากเพชรเป็นวัสดุที่แข็งที่สุดที่โลกรู้จัก มันเป็นวิธีที่ดีในการผลักน้ำแข็งไปสู่แรงกดดันที่บ้าคลั่ง จากนั้น พวกเขาสามารถให้ความร้อนกับตัวอย่างที่มีอุณหภูมิเหมือนดาวได้โดยใช้เลเซอร์ระเบิด
ในการมองดูน้ำแข็งจริงๆ นักวิทยาศาสตร์ได้นำทั่งและตัวอย่างของพวกเขาไปที่ Argonne National Laboratory ในเขตชานเมืองชิคาโกเพื่อใช้ซินโครตรอน ซึ่งเป็นเครื่องจักรที่สามารถผลิตรังสีเอกซ์ที่สว่างจ้าได้ เมื่อรังสีเอกซ์ผ่านน้ำแข็ง พวกมันจะกระจัดกระจาย และนักวิทยาศาสตร์สามารถวัดพวกมันเพื่อสร้างคุณสมบัติของน้ำแข็งขึ้นมาใหม่
เพื่อให้ทุกอย่างซับซ้อนมากขึ้น เมื่อรังสีเอกซ์ผ่านเพชร พวกมันจะหักเห มันเหมือนกับสิ่งที่ดูบิดเบี้ยวเมื่อคุณมองผ่านน้ำ พวกเขาจำเป็นต้องแก้ไขสิ่งนั้น
“มันท้าทายมาก แต่เรากำลังทำมัน” Prakapenka กล่าว
การทดลองของพวกเขาใช้เวลาทั้งหมดไมโครวินาที แทนที่จะเป็นเพียงนาโนวินาที ทำให้พวกเขามีเวลามากขึ้นในการทำการวัด “พวกเขาสามารถสำรวจระบบนี้ได้อย่างกว้างขวางโดยมีรายละเอียดมากกว่า…มากกว่าที่เราจะทำได้” ฮาเมลซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับบทความนี้กล่าว อย่างไรก็ตาม เขากล่าว การไล่ระดับอุณหภูมิที่เกิดจากการให้ความร้อนด้วยเลเซอร์ทำให้เกิดความไม่แน่นอนอย่างมาก
