Η ανακάλυψη του άμορφου πάγου μπορεί να αλλάξει την κατανόησή μας για το νερό

2023-02-06 10:24:13

(A) Illustration of the ball-crystal-ball impact events upon ball milling. (B) Schematic of the low-temperature ball-milling setup. (C) X-ray diffraction patterns (square-root intensities) upon heating MDA after 80 ball-milling cycles. (D) Differential scanning calorimetry of ice ball milled for increasing numbers of ball-milling cycles. Asterisks mark weak exotherms from the ice Isd to ice Ih phase transitions. (E) Density (blue circles) and amorphous content (red diamonds) at 77 K as a function of the ball-milling cycles. Data are mean ± standard deviation and N ≥ 3. (F) Optical microscopy image of MDA powder pressed against a copper substrate. Arrows indicate transparent crystalline ice Ih impurities. Circular features are part of the substrate. (G) Comparison of the Raman spectra of HDA, LDA, MDA, and ice Ih at 80 K in the O-H stretching spectral region. (H) Small angle x-ray scattering data of MDA upon heating from 100 to 220 K. (I) Scattering intensities at constant Q values as a function of temperature. Dashed lines illustrate continuous intensity changes across crystallization. — Science

Επιστήμονες στη Βρετανία ανακάλυψαν μια νέα μορφή «εξωτικού» πάγου, που μοιάζει σε πυκνότητα και μοριακή δομή με το υγρό νερό περισσότερο από κάθε άλλο γνωστό τύπο πάγου, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε καλύτερη κατανόηση του νερού και των πολλών «ανωμαλιών» του. Επιπλέον, το νέο είδος πάγου είναι πιθανό ότι υπάρχει σε μακρινούς παγωμένους δορυφόρους του ηλιακού μας συστήματος, όπως ο Γανυμήδης και η Ευρώπη.

Ο άγνωστος έως τώρα πάγος είναι άμορφος, δηλαδή τα μόριά του δεν έχουν οργανωμένη κρυσταλλική μορφή όπως του συνηθισμένου πάγου. Ο άμορφος πάγος, αν και σπάνιος στη Γη, είναι η βασική μορφή πάγου στο διάστημα, επειδή λόγω του ψυχρότερου περιβάλλοντος εκεί ο πάγος δεν διαθέτει αρκετή θερμική ενέργεια για να σχηματίσει κρυστάλλους.

Οι ερευνητές του Πανεπιστημιακού Κολλεγίου του Λονδίνου (UCL) και του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ, με επικεφαλής τους καθηγητές Χημείας Κρίστοφ Σάλτσμαν και Άγγελο Μιχαηλίδη, οι οποίοι έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό «Science», ονόμασαν τον νέο πάγο «μέσης πυκνότητας άμορφο πάγο» (MDA) και διαπίστωσαν ότι, αντίθετα με τους άλλους γνωστούς πάγους, έχει περίπου την ίδια πυκνότητα με το υγρό νερό. Η πυκνότητα του είναι 1,06 γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό, ενώ το νερό έχει πυκνότητα 1 γραμμάριο ανά κ.ε.

Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι ο πάγος MDA, που μοιάζει με λεπτή λευκή σκόνη, μπορεί να υπάρχει μέσα σε παγωμένα φεγγάρια του Δία και του Κρόνου. Μάλιστα, διαπιστώθηκε ότι όταν ο εν λόγω πάγος θερμαίνεται και κρυσταλλοποιείται, απελευθερώνει πολύ μεγάλες ποσότητες θερμότητας, κάτι που θα μπορούσε να πυροδοτεί τεκτονικές κινήσεις και παγο-σεισμούς στους παγωμένους δορυφόρους.

Ο δρ Σάλτσμαν δήλωσε ότι «το νερό αποτελεί το θεμέλιο όλης της ζωής. Η ύπαρξή μας εξαρτάται από αυτό, εκτοξεύουμε διαστημικές αποστολές σε αναζήτησή του, παρόλα αυτά από επιστημονική άποψη η κατανόησή μας γι’ αυτό είναι περιορισμένη. Γνωρίζουμε 20 κρυσταλλικές μορφές πάγου, όμως μόνο δύο βασικοί τύποι άμορφου πάγου είχαν ανακαλυφθεί προηγουμένως, ένας υψηλής και ένας χαμηλής πυκνότητας. Ανάμεσά τους υπήρχε ένα τεράστιο κενό πυκνότητας και έως τώρα γινόταν αποδεκτό ότι δεν υπάρχει κάποια ενδιάμεση μορφή. Η μελέτη μας δείχνει ότι ο άμορφος πάγος μέσης πυκνότητας έρχεται να καλύψει ακριβώς αυτό το κενό πυκνότητας».

Το νερό έχει πολλές παραξενιές και ανωμαλίες που έχουν προβληματίσει τους επιστήμονες εδώ και καιρό. Κανονικά, όταν παγώνει, αποκτά κρυσταλλική δομή, καθώς τα μόριά του διατάσσονται σε εξάγωνα, δημιουργώντας έτσι τον στερεό πάγο. Όμως ο πάγος είναι λιγότερο πυκνός από ό,τι το υγρό νερό, μια ασυνήθιστη ιδιότητα για κρύσταλλα.

Το νερό έχει τη μεγαλύτερη πυκνότητά του στους 4 βαθμούς Κελσίου και γίνεται λιγότερο πυκνό όσο παγώνει, εξ ου και ο πάγος επιπλέει. Επίσης όσο συμπιέζεται το υγρό νερό, τόσο η συμπίεσή του γίνεται ευκολότερη, αντίθετα με αυτό που συμβαίνει στις περισσότερες άλλες ουσίες.

Ο άμορφος πάγος χαμηλής πυκνότητας ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά στη δεκαετία του 1930, όταν οι επιστήμονες συμπίεσαν υδρατμούς πάνω σε μια μεταλλική επιφάνεια που είχε ψυχθεί στους -110 βαθμούς Κελσίου. Ο άμορφος πάγος υψηλής πυκνότητας ανακαλύφθηκε στη δεκαετία του 1980, όταν κανονικός πάγος συμπιέστηκε στους σχεδόν -200 βαθμούς Κελσίου.

Ο νέος πάγος μέσης πυκνότητας ανακαλύφθηκε όταν κανονικός πάγος με εξαγωνική κρυσταλλική μορφή κονιορτοποιήθηκε και ψύχθηκε έως τους -196 βαθμούς μέσα σε ένα δοχείο με μεταλλικά σφαιρίδια. Κάποια στιγμή ο νέος πάγος MDA εμφανίστηκε ως κόκκοι κολλημένοι πάνω στις μεταλλικές μπάλες. Η μοριακή δομή του είναι χαοτική, μοιάζοντας με εκείνη του γυαλιού. Όταν ο εν λόγω άμορφος πάγος θερμαίνεται στους -120 βαθμούς Κελσίου, τότε γίνεται ξανά κρυσταλλικός και απελευθερώνει πολλή θερμότητα.

Στη Γη γενικότερα ο άμορφος πάγος θεωρείται ότι υπάρχει μόνο στα ανώτερα και πιο ψυχρά στρώματα της ατμόσφαιρας. Στο διάστημα ο άμορφος πάγος αφθονεί. Οι κομήτες π.χ. ουσιαστικά είναι μεγάλα κομμάτια άμορφου πάγου χαμηλής πυκνότητας.

πηγή: https://www.amna.gr/home/article/705604/Anakalufthike-neo-eidos-amorfou-pagou-me-puknotita-schedon-osi-kai-tou-nerou – https://astrobiology.com/2023/02/discovery-of-amorphous-ice-may-change-our-understanding-of-water.html

Επιστημονική Δημοσίευση

Rosu-Finsen, Alexander, Michael Davies, Alfred Amon, Andrea Sella, Angelos Michaelides, and Christoph Salzmann. "Medium-density amorphous ice." (2022).

DOI: 10.1126/science.abq2105
tinanantsou.blogspot.gr

ΜΟΙΡΑΣΤΕΙΤΕ

ΔΕΙΤΕ ΑΚΟΜΑ