Kansainvälinen tutkijaryhmä on löytänyt uuden jäämuodon, jää XXI:n, joka muodostuu huoneenlämmössä äärimmäisessä paineessa. Tämä löytö voi antaa avaimen veden käyttäytymisen ja olosuhteiden ymmärtämiseen jääplaneetoilla.
Sisältö
Tavallisissa olosuhteissa vesi käyttäytyy ennustettavasti: se jäätyy 0 °C:ssa ja kiehuu 100 °C:ssa, ja näiden alueiden ulkopuolella sen rakenne näyttää yksinkertaiselta. Mutta tällä tavallisella nesteellä on piilevä ja monimutkainen puoli, kun se altistuu äärimmäisille olosuhteille. Se, mikä näytti yksinkertaiselta tilamuutokselta, voi paljastaa odottamattoman käyttäytymisen, kuten välivaiheet tai täysin uudet kiteiset rakenteet. Nyt kansainvälinen tutkijaryhmä on ensimmäistä kertaa onnistunut havaitsemaan yhden tällaisen piilevän muodon: uuden, aiemmin tuntemattoman jään faasin.
Nature Materials -lehdessä julkaistu löytö, jonka tekivät tutkijat Korean standardi-, tiede- ja teknologiainstituutista (KRISS), mahdollisti veden jäädyttämisen huoneenlämmössä yli 2 gigapascalin paineessa. Prosessin aikana he havaitsivat aiemmin tuntemattoman jääfaasin muodostumisen, jonka he nimesivät Ice XXI:ksi. Tämä uusi kiteinen rakenne ei vain laajenna jo ennestään vaikuttavaa tunnettujen jäätyyppien perhettä, vaan voi myös olla tärkeä materiaalien fysiikan ja avaruuden tutkimuksen kannalta.
Uusi jäätyyppi… huoneenlämpötilassa.
Ice XXI:tä koskeva hämmästyttävä löytö ei ole vain se, että kyseessä on uusi jäätyyppi – 21. peräkkäin –, vaan myös sen muodostumisolosuhteet. Tämä jää muodostuu huoneenlämpötilassa, mutta vain silloin, kun vesi altistetaan valtavalle paineelle, joka ylittää 2 GPa. Toisin sanoen, vesi muuttuu jääksi ilman kylmää lämpötilaa, jos sitä puristetaan riittävän voimakkaasti.
Tutkimusryhmä käytti erityistä laitetta, jota kutsutaan dynaamiseksi timanttiakseliksi (dDAC) ja joka puristaa mikroskooppisia näytteitä erittäin tarkasti. Tämä laite oli ratkaisevan tärkeä nopeiden faasimuutosten havainnoimiseksi, jotka tapahtuvat alle millisekunnissa. Artikkelin kirjoittajien mukaan jää XXI esiintyy väliaikaisena ja lyhytaikaisena faasina alueella, jota on pidetty vakaana niin sanotun jää VI:n, toisen hyvin tutkitun jäämuodon, alueena.
”Dynaamisen timanttivasaran ja vapaiden elektronien röntgenlaserin yhdistelmä antoi meille mahdollisuuden tunnistaa useita jäätyminen ja sulaminen huoneenlämmössä, jotka olivat piilossa jää VI:n painealueella”, kirjoittajat toteavat tieteellisessä artikkelissa.
Jää XXI: rakenne, harvinaisuus ja siirtymäprosessit
Rakenteellisella tasolla jää XXI:llä on monimutkainen elementaarinen solu, joka on muodoltaan litistetty suorakulmainen prisma ja sisältää 152 vesimolekyyliä elementaarista solua kohti. Sen geometria vastaa tilavuuspainotteista tetragonaalista rakennetta, joka luokitellaan I4̅2d:ksi, ja sen tiheys on 1,413 g/cm³, mikä tekee siitä tiheämmän kuin useimmat tunnetut jäämuodot.
Tämä jäämuoto on epävakaa pitkällä aikavälillä: se ilmestyy ja katoaa nopeasti toimien ”siltana” muiden, vakaampien faasien, kuten jää VI:n ja metastabiilin jää VII:n, välillä. Sen löytäminen on kuitenkin tärkeää, koska se osoittaa, että jopa oletettavasti vakaissa olosuhteissa vesi voi käyttäytyä paljon monimutkaisemmin kuin aiemmin on ajateltu.
Tämän löydön merkitys on myös siinä, että artikkelin mukaan ”ylipaineistettu vesi kehittyy rakenteellisesti tiheästä vedestä erittäin tiheäksi vedeksi, käynnistäen monia siirtymäreittejä”. Toisin sanoen kyse ei ole pelkästään tilan muutoksesta, vaan molekyylien eri järjestymistapojen tutkimisesta paineen alaisena.
Tieteellinen ura planeetan mittakaavassa
Tämä koe on tulosta 33 tutkijan kansainvälisestä yhteistyöstä Etelä-Koreassa, Saksassa, Japanissa, Yhdysvalloissa ja Isossa-Britanniassa. KRISS-tiimi johti projektia ja sai tukea Euroopan vapaiden elektronien röntgenlaserilta (European XFEL), joka on maailman tehokkain röntgenlaser.
Yhdistämällä dDAC-kenno ja XFEL-röntgenjärjestelmä tutkijat pystyivät saamaan kuvia, joiden aikaresoluutio oli mikrosekunteja. Tämä antoi heille mahdollisuuden havaita tarkka hetki, jolloin vesi muutti rakenteensa ja muuttui XXI-jääksi. Kuten artikkelissa selitetään, puristus- ja relaksaatiosyklien aikana havaittiin vähintään viisi erilaista paineen ja ajan välisen riippuvuuden käyrää, mikä viittaa siihen, että samassa painealueessa on useita piileviä jäätyminen ja sulaminen.
Lisäksi tutkimuksessa käytettiin molekyylidynamiikan mallinnusmenetelmiä vahvistaakseen, että tietyssä paineessa vesi muuttuu XXI-jään rakenteita muistuttaviksi rakenteiksi. Tällainen kokeiden ja mallinnuksen yhdistelmä antaa yksityiskohtaisen ja kattavan kuvan havaitusta ilmiöstä.
Mitkä ovat tämän löydön seuraukset?
Puhtaasti tieteellisen mielenkiinnon lisäksi XXI-jään löytäminen voi olla merkittävää esimerkiksi planetaarisessa fysiikassa ja astrobiologiassa. Tämän uuden jäämuodon havaittu tiheys on verrattavissa jääkuiden, kuten Europan (Jupiter) tai Enceladin (Saturnus), tiheyteen, joissa vesi voi olla samanlaisessa paineessa jääpeitteiden alla ja syvissä valtamerissä.
Tämä tarkoittaa, että XXI-jää voi esiintyä luonnollisesti muissa maailmoissa, vaikkakin vain lyhyitä aikoja tai tietyissä paikoissa. Jos tämä vahvistuu, avautuu uusia mahdollisuuksia ymmärtää olosuhteita, jotka edistävät tai estävät elämän syntymistä äärimmäisissä olosuhteissa.
Kuten artikkelissa todetaan, ”nämä tulokset avaavat näkymiä uusien metastabiilien jääfaasien löytämiselle ja niiden siirtymiselle korkeampiin lämpötiloihin”. Toisin sanoen, XXI-jää ei ole yksittäinen tapaus, vaan osa laajempaa välimuotojen perhettä, jota olemme vasta alkaneet tutkia.
Veden ulkopuolella: uudet horisontit aineelle.
Yksi tämän työn hämmästyttävimmistä piirteistä on se, että se haastaa perinteisen käsityksen siitä, että faasisiirtymät vedessä ovat yksinkertaisia tai lineaarisia. Tutkijat ovat osoittaneet, että todellisuudessa on olemassa monia mahdollisia reittejä, joissa välivaiheet voivat olla käännettävissä tai peruuttamattomia ja rakenteet eivät vastaa klassisia malleja.
Tämä monimutkaisuus on tärkeää lupaavien materiaalien kehittämiselle, koska näiden rakenteiden muodostumisen ymmärtäminen voi auttaa meitä luomaan uusia aineita, joilla on ainutlaatuisia ominaisuuksia ja jotka ovat stabiileja vain äärimmäisissä olosuhteissa. Kyse ei ole vain veden paremmasta ymmärtämisestä, vaan myös uuden tutkimussuunnan avaamisesta muille nesteille ja kiinteille aineille, jotka voivat käyttäytyä samalla tavalla.
Käytetty menetelmä, joka sisältää dynaamisen puristuksen mikrosekunnin mittakaavassa, voidaan soveltaa myös muihin materiaaleihin, mikä tekee tästä saavutuksesta paitsi käsitteellisen myös metodologisen läpimurron. On täysin mahdollista, että tällaisten äärimmäisten kokeiden ansiosta lähivuosina löydetään uusia aineen faaseja.
