Araştırmacılar, sıvı suya esrarengiz bir şekilde benzeyen yeni bir buz türü ortaya çıkardılar ve potansiyel olarak su anlayışımızı ve onun pek çok gizemini yeniden yazıyorlar. Kredi: Christoph Salzmann
University College London ve Cambridge Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, sıvı suya bilinen diğer buzlardan daha çok benzeyen ve anlayışımızı yeniden yazabilecek yeni bir buz türü keşfettiler.
Yeni keşfedilen buz şekilsizdir; yani, molekülleri düzensiz bir biçimdedir ve sıradan, kristal buzda olduğu gibi düzgün bir şekilde sıralanmamıştır. Amorf buz, Dünya’da nadir olmasına rağmen, uzayda bulunan ana buz türüdür. Bunun nedeni, uzayın daha soğuk ortamında buzun kristal oluşturmak için yeterli termal enerjiye sahip olmamasıdır.
Science dergisinde yayınlanan araştırma için araştırma ekibi, bilyeli öğütme adı verilen, kuvvetlice sallanan bir işlem kullandı. -200 santigrat dereceye kadar soğutulmuş bir kavanozda çelik toplarla birlikte sıradan buz.
Orta yoğunlukta şekilsiz buz oluşturmaya yönelik kurulumun bir parçası. Kredi: Christoph Salzmann
Sürecin, sıradan buz parçalarıyla sonuçlanmak yerine, bilinen diğer tüm buzların aksine, buzla aynı yoğunluğa sahip, yeni bir şekilsiz buz formu verdiğini keşfettiler. sıvı halde bulunan ve hâli katı haldeki suya benzeyen su. Yeni buza orta yoğunluklu şekilsiz buz (MDA) adını verdiler.
Ekip, MDA’nın (ince beyaz bir toza benzeyen) dış güneş sisteminin buz uydularının içinde, gazdan gelen gelgit kuvvetleri olarak var olabileceğini öne sürdü. Jüpiter ve Satürn gibi devler, sıradan buz üzerinde bilyeli öğütme ile oluşturulanlara benzer kesme kuvvetleri uygulayabilir. Ayrıca ekip, MDA’nın ısıtılıp yeniden kristalleştirildiğinde olağanüstü miktarda ısı açığa çıkardığını, bunun da Jüpiter’in Ganymede’si (aşağıda resmedilmiştir) gibi uydulardaki kilometrelerce kalınlıktaki buz örtüsünde tektonik hareketleri ve “buz depremlerini” tetikleyebileceği anlamına geldiğini buldu. ).
Jüpiter’in uydusu Ganymede’nin gaz devinin yanından 34. geçişinde NASA Juno uzay aracı tarafından çekilmiş birleşik görüntüsü. Kredi: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill
Kıdemli yazar Profesör Christoph Salzmann (UCL Kimya) şunları söyledi: “Su tüm yaşamın temelidir. Varlığımız buna bağlı, onu aramak için uzay görevleri başlatıyoruz, ancak bilimsel açıdan tam olarak anlaşılamıyor.
“Buzun 20 kristal formunu biliyoruz, ancak yalnızca iki ana şekilsiz buz türü biliyoruz. daha önce yüksek yoğunluklu ve düşük yoğunluklu amorf buzlar olarak bilinen keşfedildi. Aralarında çok büyük bir yoğunluk farkı vardır ve kabul edilen bilgelik, bu yoğunluk boşluğunda buz bulunmadığı yönündedir. Çalışmamız, MDA’nın yoğunluğunun tam olarak bu yoğunluk boşluğu içinde olduğunu ve bu bulgunun, sıvı su ve onun birçok anomalisini anlamamız için geniş kapsamlı sonuçları olabileceğini gösteriyor.”
Bilinen şekilsiz buzlar arasındaki yoğunluk farkı, bilim adamlarının suyun aslında çok soğuk sıcaklıklarda iki sıvı olarak var olduğunu ve teorik olarak, belirli bir sıcaklıkta, bu sıvıların her ikisinin de, yağ ve suyu karıştırırken olduğu gibi, biri diğerinin üzerinde yüzerek birlikte var olabileceğini önermelerine yol açtı. Bu hipotez bir bilgisayar simülasyonunda gösterildi, ancak deneyle doğrulanmadı. Araştırmacılar, yeni çalışmalarının bu fikrin geçerliliği hakkında soru işaretleri uyandırabileceğini söylüyor.
Profesör Salzmann, “Mevcut su modelleri yeniden test edilmelidir. Orta yoğunluklu şekilsiz buzun varlığını açıklayabilmeleri gerekiyor. Bu, sıvı suyu nihayet açıklamak için bir başlangıç noktası olabilir.”
Araştırmacılar, yeni keşfedilen buzun sıvı suyun gerçek camsı hali, yani katı haldeki sıvı suyun tam bir kopyası olabileceğini öne sürdüler. aynı şekilde pencerelerdeki cam sıvı silikon dioksitin katı halidir. Bununla birlikte, başka bir senaryo da MDA’nın hiç camsı olmadığı, yoğun şekilde parçalanmış kristal halinde olduğudur.
Ortak yazar Profesör Andrea Sella (UCL Chemistry) şunları söyledi: “Neyi yaratmanın mümkün olduğunu gösterdik. stop-motion bir tür suya benziyor.Deneysel çalışmayı UCL Kimya’da yürüten Alexander Rosu-Finsen, “Uzun süre buzu deli gibi salladık ve kristal yapıyı bozduk. Daha küçük buz parçalarıyla sonuçlanmak yerine, bazı dikkate değer özelliklere sahip tamamen yeni bir tür şey keşfettiğimizi fark ettik.”
Kristalin tekrar tekrar rasgele kesilmesi yoluyla bilyeli öğütme prosedürünü taklit ederek ice, ekip ayrıca hesaplamalı bir MDA modeli oluşturdu. UCL ve Cambridge Üniversitesi’ndeki ICE (arayüzler, katalitik ve çevresel) laboratuvarında doktora öğrencisiyken hesaplamalı modellemeyi gerçekleştiren Dr. bu nedenle MDA’nın kesin atomik yapısını anlamak çok önemlidir.”
Sıradan kristal buza (sağda) kıyasla moleküler yapısı sıvı suya (solda) çok benzeyen yeni bir buz biçimi. Kredi: Cambridge Üniversitesi
Suyun bilim adamlarını uzun süredir şaşırtan birçok anomalisi vardır. Örneğin, su 4 santigrat derecede en yoğun halindedir ve dondukça yoğunluğu azalır (bu nedenle buz yüzer). Ayrıca, sıvı suyu ne kadar sıkarsanız sıkıştırması o kadar kolaylaşır ve diğer çoğu madde için geçerli olan ilkelerden sapar.
Amorf buz ilk kez 1930’larda bilim adamlarının su buharını yoğunlaştırmasıyla düşük yoğunluklu formunda keşfedildi. -110 santigrat dereceye kadar soğutulmuş metal bir yüzey üzerinde. Yüksek yoğunluklu durumu, sıradan buzun yaklaşık -200 santigrat derecede sıkıştırıldığı 1980’lerde keşfedildi. Uzayda yaygın olmakla birlikte, Dünya’da şekilsiz buzun yalnızca atmosferin soğuk üst kesimlerinde meydana geldiği düşünülmektedir.
Orta yoğunlukta şekilsiz kavanozu gösteren videodan ekran görüntüsü (aşağıda). çelik bilyalar ve sıvı nitrojen ile içeride buz. Kredi: Michael Davies
Bilyalı öğütme, çeşitli endüstrilerde malzemeleri öğütmek veya karıştırmak için kullanılan, ancak daha önce buza uygulanmamış bir tekniktir. Çalışmada, bir öğütme kavanozunu -200 santigrat dereceye soğutmak için sıvı nitrojen kullanıldı ve bilyeli öğütülmüş buzun yoğunluğu, sıvı nitrojendeki kaldırma kuvvetinden belirlendi. Araştırmacılar, UCL’de X-ışını kırınımı (buzdan yansıyan X-ışınlarının modeline bakarak) ve Raman spektroskopisi (buzun ışığı nasıl saçtığına bakarak) dahil olmak üzere MDA’nın yapısını ve özelliklerini analiz etmek için bir dizi başka teknik kullandılar. Uzun menzilli yapısını keşfetmek için UCL Center for Nature Inspired Engineering’de kimya ve küçük açılı kırınım.
Orta yoğunluklu amorf buz (MDA) nasıl yapılır? . Altıgen buzu tekrar tekrar kırparak MDA oluşturabiliriz.
Ayrıca, orta yoğunluklu buz daha yüksek sıcaklıklarda yeniden kristalleştiğinde açığa çıkan ısıyı araştırmak için kalorimetri kullandılar. MDA’yı sıkıştırıp sonra ısıttıklarında, yeniden kristalleşirken şaşırtıcı derecede büyük miktarda enerji açığa çıkardığını buldular; .
Referans: “Orta yoğunluklu amorf buz”, yazan Alexander Rosu-Finsen, Michael B. Davies, Alfred Amon, Han Wu, Andrea Sella, Angelos Michaelides ve Christoph G. Salzmann, 2 Şubat 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.abq2105
.