พบสถานะของสสารใหม่ที่อุณหภูมิสูง ความดัน
น้ำสามารถสร้างโครงสร้างได้หลายประเภท เช่น น้ำแข็ง ของเหลว และไอระเหย ตอนนี้ การศึกษาใหม่ได้เพิ่มระยะหนึ่งไปยังรายการ นักวิทยาศาสตร์จาก UChicago และ Carnegie ได้ค้นพบสถานะของสสารใหม่ นั่นคือน้ำแข็งที่มีความเร็วเหนือเสียง น้ำแข็งเหนือเสียงก่อตัวที่อุณหภูมิและความดันสูงมาก มีสีดำและร้อนไม่เหมือนกับน้ำแข็งทั่วไปที่พบในช่องแช่แข็งหรือขั้วโลกเหนือ ลูกบาศก์ของมันจะหนักสี่เท่าของปกติ น้ำแข็งเหนือเสียงถูกทำนายตามทฤษฎีครั้งแรกเมื่อ 30 กว่าปีที่แล้ว ในปี 2019 นักวิทยาศาสตร์สามารถเห็นนักวิทยาศาสตร์ได้ในช่วงเวลาสั้น ๆ ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์ได้ส่งคลื่นกระแทกผ่านละอองน้ำ ในการศึกษาใหม่นี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบวิธีที่จะสร้าง รักษา และตรวจสอบน้ำแข็ง ผู้เขียนร่วม Vitali Prakapenka ศาสตราจารย์ด้านการวิจัยของมหาวิทยาลัยชิคาโกและนักวิทยาศาสตร์ของ Beamline ที่ Advanced Photon Source ที่ Argonne National Laboratory กล่าวว่า “เป็นเรื่องน่าประหลาดใจที่ทุกคนคิดว่าระยะนี้จะไม่ปรากฏขึ้นจนกว่าคุณจะอยู่ในแรงกดดันที่สูงกว่าที่ใด เราพบมันก่อน แต่เราสามารถทำแผนที่คุณสมบัติของน้ำแข็งใหม่นี้ได้อย่างแม่นยำมาก ซึ่งถือเป็นเฟสใหม่ของสสาร ด้วยเครื่องมืออันทรงพลังหลายอย่าง” การใช้แหล่งกำเนิดโฟตอนขั้นสูง นักวิทยาศาสตร์จะขับอิเล็กตรอนด้วยความเร็วสูงมากใกล้กับความเร็วของแสงเพื่อสร้างลำแสงรังสีเอกซ์ที่เจิดจ้า นักวิทยาศาสตร์ได้จำลองแรงกดดันที่รุนแรง จากนั้นจึงยิงเลเซอร์ผ่านเพชรเพื่อทำให้ตัวอย่างร้อนโดยการบีบตัวอย่างระหว่างเพชรสองชิ้น ในที่สุด พวกเขาส่งลำแสงเอ็กซ์เรย์ผ่านตัวอย่างและประกอบการจัดเรียงอะตอมภายในโดยพิจารณาจากการที่รังสีเอกซ์กระจายออกจากตัวอย่าง ระหว่างการทดลอง การอ่านโครงสร้างต่างจากที่คาดไว้มาก หลังจากดูการอ่านแล้ว ผู้เขียนคิดว่ามีบางอย่างผิดพลาด และมีปฏิกิริยาเคมีที่ไม่พึงประสงค์เกิดขึ้น ซึ่งมักเกิดขึ้นกับน้ำในการทดลองดังกล่าว Prakapenka กล่าวว่า “แต่เมื่อฉันปิดเลเซอร์และตัวอย่างกลับสู่อุณหภูมิห้อง น้ำแข็งก็กลับสู่สถานะเดิม นั่นหมายความว่ามันเป็นการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่ย้อนกลับได้ ไม่ใช่ปฏิกิริยาเคมี” “เมื่อดูโครงสร้างของน้ำแข็ง เราพบว่ามีขั้นตอนใหม่อยู่ในมือ พวกเขาสามารถทำแผนที่โครงสร้างและคุณสมบัติของมันได้อย่างแม่นยำ” “ลองนึกภาพลูกบาศก์ ซึ่งเป็นโครงตาข่ายที่มีอะตอมออกซิเจนอยู่ตรงมุมที่เชื่อมต่อกันด้วยไฮโดรเจน เมื่อมันเปลี่ยนเป็นเฟส superionic ใหม่นี้ โครงตาข่ายจะขยายตัว ทำให้อะตอมของไฮโดรเจนเคลื่อนที่ไปรอบๆ ในขณะที่อะตอมของออกซิเจนยังคงนิ่งอยู่ในตำแหน่ง มันเหมือนกับตาข่ายออกซิเจนที่เป็นของแข็งซึ่งนั่งอยู่ในมหาสมุทรของอะตอมไฮโดรเจนที่ลอยอยู่” “สิ่งนี้ส่งผลต่อพฤติกรรมของน้ำแข็ง: น้ำแข็งมีความหนาแน่นน้อยลง แต่เข้มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด เพราะมันมีปฏิกิริยากับแสงต่างกัน แต่ยังไม่ได้มีการสำรวจคุณสมบัติทางเคมีและทางกายภาพของน้ำแข็ง superionic อย่างครบถ้วน เป็นสถานะใหม่ของสสาร จึงทำหน้าที่เป็นวัสดุใหม่ และอาจแตกต่างไปจากที่เราคิดไว้” การทำแผนที่สภาวะที่แน่นอนที่เกิดเฟสต่างๆ ของน้ำแข็งนั้นจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการก่อตัวดาวเคราะห์และแม้กระทั่งตำแหน่งที่จะมองหาสิ่งมีชีวิตบนดาวเคราะห์ดวงอื่น นักวิทยาศาสตร์ระบุว่า สภาพภายในของดาวเนปจูนและดาวยูเรนัสมีสภาพคล้ายคลึงกัน และดาวเคราะห์หินอื่นๆ ที่เย็นยะเยือก เช่นเดียวกับที่อื่นๆ ในจักรวาล Prakapenka กล่าวว่า “ยังมีอีกหลายแง่มุมให้สำรวจ เช่น การนำไฟฟ้า ความหนืด และความเสถียรทางเคมี ซึ่งจะเปลี่ยนไปเมื่อน้ำผสมกับเกลือหรือแร่ธาตุอื่นๆ ซึ่งมักจะเกิดขึ้นลึกใต้พื้นผิวโลก สิ่งนี้ควรกระตุ้นการศึกษาให้มากขึ้น” การอ้างอิงวารสาร: Prakapenka, VB, Holtgrewe, N. , Lobanov, SS et al. โครงสร้างและคุณสมบัติของน้ำแข็งสองเฟส superionic แนท. สรีรวิทยา (2021). ดอย: 10.1038/s41567-021-01351-8
