اكتشف العلماء شكلاً جديدًا من الجليد – قد يكون منتشرًا على الكواكب البعيدة الغنية بالمياه

ابتكر علماء الفيزياء في UNLV تقنية جديدة للتسخين بالليزر في خلية سندان ماسي (في الصورة هنا) كجزء من اكتشافهم لشكل جديد من الجليد. الائتمان: كريس هيغينز

يمكن أن يكون للنتائج آثار على فهمنا للكواكب البعيدة الغنية بالمياه.

اكتشف باحثو NLV شكلاً جديدًا من الجليد ، يعيدون تعريف خصائص الماء عند الضغط العالي.

الماء الصلب ، أو الجليد ، مثل العديد من المواد الأخرى من حيث أنه يمكن أن يشكل مواد صلبة مختلفة بناءً على درجات الحرارة المتغيرة وظروف الضغط ، مثل تشكيل الكربون الماسي أو الجرافيت. ومع ذلك ، يعتبر الماء استثنائيًا في هذا الجانب حيث يوجد على الأقل 20 شكلًا صلبًا من الجليد المعروف لنا.

ابتكر فريق من العلماء العاملين في مختبر الظروف القاسية في نيفادا التابع لـ UNLV طريقة جديدة لقياس خصائص الماء تحت الضغط العالي. تم عصر عينة الماء أولاً بين طرفي ماستين متقابلتين — متجمدة في عدة بلورات جليدية مختلطة. ثم تعرض الجليد لتقنية تسخين بالليزر أدت إلى صهره مؤقتًا قبل أن يعاد تشكيله بسرعة إلى مجموعة تشبه المسحوق من البلورات الصغيرة.

من خلال زيادة الضغط بشكل تدريجي ، وتفجيره بشكل دوري بشعاع الليزر ، لاحظ الفريق أن الجليد المائي ينتقل من المرحلة المكعبة المعروفة ، Ice-VII ، إلى المرحلة المتوسطة والرباعية المكتشفة حديثًا ، Ice-VIIt ، قبل الاستقرار. إلى مرحلة أخرى معروفة ، Ice-X.

زاك غراندي ، دكتوراه في UNLV. طالب ، قاد العمل الذي أظهر أيضًا أن الانتقال إلى Ice-X ، عندما تصلب المياه بقوة ، يحدث عند ضغوط أقل بكثير مما كان يعتقد سابقًا.

في حين أنه من غير المحتمل أن نجد هذه المرحلة الجديدة من الجليد في أي مكان على سطح الأرض ، فمن المحتمل أن تكون مكونًا شائعًا داخل عباءة الأرض وكذلك في الأقمار الكبيرة والكواكب الغنية بالمياه خارج نظامنا الشمسي.

تم الإبلاغ عن نتائج الفريق في عدد 17 مارس 2022 من المجلة المراجعة البدنية ب.

الوجبات الجاهزة

كان فريق البحث يعمل على فهم سلوك المياه عالية الضغط التي قد تكون موجودة في باطن الكواكب البعيدة.

للقيام بذلك ، وضع غراندي والفيزيائي في جامعة UNLV أشكان سلامات عينة من الماء بين طرفي ماسين مقطوعين بشكل دائري يُعرفان باسم خلايا سندان الماس ، وهي ميزة قياسية في مجال فيزياء الضغط العالي. مكّن تطبيق القليل من القوة على الماس الباحثين من إعادة خلق ضغوط عالية مثل تلك الموجودة في مركز الأرض.

من خلال ضغط عينة الماء بين هذه الماسات ، قاد العلماء ذرات الأكسجين والهيدروجين إلى مجموعة متنوعة من الترتيبات المختلفة ، بما في ذلك الترتيب المكتشف حديثًا ، Ice-VIIt.

لم تسمح تقنية التسخين بالليزر الأولى من نوعها للعلماء فقط بملاحظة مرحلة جديدة من الجليد المائي ، ولكن وجد الفريق أيضًا أن الانتقال إلى Ice-X حدث عند ضغوط أقل بثلاث مرات تقريبًا مما كان يعتقد سابقًا – عند 300000 الغلاف الجوي بدلاً من 1 مليون. كان هذا الانتقال موضوعًا نوقش بشدة في المجتمع لعدة عقود.

قال سلامات: “لقد أظهر عمل زاك أن هذا التحول إلى الحالة الأيونية يحدث عند ضغوط أقل بكثير مما كان يُعتقد من قبل”. “إنها القطعة المفقودة ، والقياسات الأكثر دقة على الماء في هذه الظروف.”

وأضاف سلامات أن العمل يعيد أيضًا معايرة فهمنا لتكوين الكواكب الخارجية. يفترض الباحثون أن المرحلة Ice-VIIt من الجليد يمكن أن توجد بوفرة في القشرة والعباءة العلوية للكواكب الغنية بالمياه المتوقعة خارج نظامنا الشمسي ، مما يعني أنه يمكن أن يكون لديهم ظروف صالحة للحياة.

المرجع: “انتقالات التناظر المدفوعة بالضغط في H كثيفة₂O ice “بقلم زاكاري إم غراندي وسي هوي فام ودين سميث وجون إتش. بوازفيرت وتشينليانج هوانج وجيسي إس. 17 مارس 2022 ، المراجعة البدنية ب.
DOI: 10.1103 / PhysRevB.105.104109

استخدم المتعاونون في مختبر لورانس ليفرمور الوطني حاسوبًا فائقًا ضخمًا لمحاكاة إعادة ترتيب الروابط – متنبئين بأن انتقالات الطور يجب أن تحدث بالضبط حيث تم قياسها بالتجارب.

ومن بين المتعاونين الإضافيين الفيزيائيين في UNLV جيسون ستيفن وجون بوازفيرت ، وعالم المعادن في UNLV أوليفر تشونر ، وعلماء من مختبر أرغون الوطني وجامعة أريزونا.