Fizikçiler Su Buzunun Yeni, Dörtgen Fazını Keşfettiler

Yüksek basınçlarda fazlar arasındaki kısacık geçişlerde, yeni bir kristal su buz formu keşfedildi.

Buna Ice-VIIt denir ve maddenin zaten bilinen iki kübik molekül düzeni arasında kaymasıyla gerçekleşir. Buz-VI'nın Dünya yüzeyinde doğal olarak ortaya çıkması pek olası olmasa da suyun devasa yabancı dünyalarda nasıl davrandığı hakkında bize bilgi verebilir.

Sıradan olduğunu düşünebiliriz, ancak su, bildiğimiz diğer sıvılara kıyasla aslında oldukça garip. Suyun donmuş formu içindeki moleküllerin düzenlenmesi, etrafındaki koşullara bağlı olarak önemli ölçüde değişebilir.

Bazıları doğal olarak oluşan, bazıları sadece laboratuvar koşullarında görülen bu katı buz fazlarından en az 19'unu biliyoruz.

Dondurucuda gördüğünüz veya gökten kar taneleri veya dolu taneleri olarak düşen buz, Dünya'daki en yaygın doğal buzdur. Oksijen atomlarının altıgen bir ızgarada düzenlendiği Ice-I olarak adlandırılır. Bununla birlikte yapı, hidrojen atomlarının düzensiz bir şekilde asılı kalmasıyla geometrik olarak hüsrana uğramıştır.

Fizikçiler Buz-I'yi çeşitli sıcaklıklarda soğutup farklı basınçlar uyguladıklarında, içindeki hidrojen ve oksijen atomları periyodik olarak farklı düzenlemelere ulaşabilir. Bu çeşitli su buzu biçimleri her zaman kararlı değildir, ancak merak uyandıran moleküler yapılarını ortaya çıkarmak için bunları laboratuvarda keşfedebiliriz.

Kübik yapıya sahip bu fazlardan ikisi, düzensiz hidrojen içeren Ice-VII ve simetrik olan Ice-X'dir. Bunlara, buzu, Dünya'nın deniz seviyesindeki atmosferik basıncından on binlerce ila yüz binlerce kat daha fazla yüksek basınca maruz bırakarak ulaşılabilir.

Las Vegas, Nevada Üniversitesi'nden Zach Grande liderliğindeki bir fizikçi ekibi, buz fazları arasındaki geçişleri incelemek için, basınç uygulandığında buzun özelliklerini ölçmek için yeni bir teknik kullanarak deneyler yaptı.

Araştırmacılar, bir elmas örsün içine bir su örneğini sıkıştırarak, onu bir kristal karmaşası içinde donmaya zorladı. Lazerler daha sonra numuneyi ısıtmak için kullanıldı ve araştırmacıların toz benzeri bir kristal koleksiyonu olarak tanımlanan şeyin yeniden donmadan önce erimesine neden oldu.

Araştırmacılar, lazerden gelen periyodik patlamalarla örsteki basıncı kademeli olarak artırarak Ice-VII'yi yarattılar ve Ice-X'e geçişi gözlemlediler. Arada, yeni ölçüm teknikleri sayesinde yeni ara faz olan Ice-VIIt'i de gözlemlediler.

Bu aşamada, Ice-VII'nin kübik kafesi, vektörlerinden biri boyunca gerilir, böylece yapı, Ice-X'in simetrik, tam sıralı kübik düzenine yerleşmeden önce, kübik ayak izi ile dikdörtgen bir düzenlemeye uzanır. Bu düzenleme tetragonal olarak bilinir.

Ekip ayrıca Ice-X'in önceden düşünülenden çok daha düşük basınçlarda oluşabileceğini gösterdi. Yaklaşık 3 gigapaskaldan Ice-VII oluşur; yani 30.000 atmosferik basınç. Takımın gözlemlerine göre Ice-VIIt'e geçiş yaklaşık 5.1 gigapaskalda gerçekleşiyor.

Önceki raporlar, Ice-X için geçiş basıncını 40 ile 120 gigapaskal arasına koymuştu. Ancak Grande ve ekibi, Ice-VIIt ve Ice-X arasındaki geçişin yaklaşık 30.9 gigapaskalda gerçekleştiğini gözlemledi.

Ekip, bunun Ice-X geçiş basıncı hakkındaki tartışmayı çözmeye yardımcı olması gerektiğini söyledi.

Las Vegas, Nevada Üniversitesi'nden fizikçi Ashkan Salamat, "Zach'ın çalışması, iyonik bir duruma bu dönüşümün daha önce düşünülenden çok çok daha düşük basınçlarda gerçekleştiğini gösterdi" dedi.

Ekip, bunun diğer dünyaların iç koşullarını incelemek için önemli etkileri olabileceğini söyledi. Güneş Sistemi dışındaki su bakımından zengin gezegenlerin bol miktarda Ice-VIIt'e sahip olabileceğini, hatta yaşamın ortaya çıkması için uygun koşulların şansını artırabileceğini söylediler.

Ekibin araştırması Physical Review B'de yayınlandı.