Na Zemi se objevil nový typ ledu, který se při pokojové teplotě neroztápí!
Během 20. století fyzikové specializující se na fyziku vysokých tlaků identifikovali 20 různých fází krystalického ledu. Tyto fáze byly objeveny v širokém rozsahu fyzikálních podmínek: při teplotách nad 2000 K a tlacích nad 100 GPa. Dnes byla pomocí rentgenového laseru identifikována a studována 21. forma ledu.
Tento objev, o kterém dnes informuje článek v časopise Nature Materials , opět ilustruje dvě velmi důležité oblasti fyziky, které jsou pravděpodobně málo známé široké veřejnosti, která se dnes pravděpodobně mnohem více zajímá o černé díry, kvantové počítače nebo hledání života jinde.
Jedná se o dvě oblasti: krystalografii a fyziku vysokých tlaků. Vědecká krystalografie vznikla na konci 18. století, hlavně pod vlivem abbáta Reného Just Gaillou ve Francii. Na počátku 20. století prošla revolucí s objevem a rozvojem rentgenové fyziky.
Fyzika vysokých tlaků také zaznamenala za poslední století významný rozvoj, který umožnil zkoumat fyziku zemského nitra a nyní i fyziku obřích planet Sluneční soustavy a jejich satelitů, a v konečném důsledku do jisté míry i zkoumat svět exoplanet mimo Sluneční soustavu.
Rentgenový laser pro studium kondenzovaných médií
Vraťme se však k publikaci zmíněné na začátku článku, která informuje o práci mezinárodní skupiny výzkumníků pod vedením zaměstnanců Korejského výzkumného institutu pro standardy a vědu (KRISS), kteří použili zdroj rentgenového záření v jedinečném prostředí spojeném s Evropským rentgenovým laserem na volných elektronech (nebo Evropským XFEL) umístěným nedaleko výzkumného centra DESY v Hamburku v Německu. DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron: německý elektronový synchrotron) je největším výzkumným centrem v Evropě v oblasti fyziky elementárních částic.
Evropský rentgenový laser na volných elektronech ( XFEL ) umožnil fyzikům pracujícím s pevnými látkami využívat extrémně intenzivní laserové impulsy v rentgenovém spektru ke studiu toho, co se děje, když je voda při pokojové teplotě vystavena tlaku více než 2 gigapascaly (2 GPa) po dobu mikrosekund (μs, miliontiny sekundy). To jim umožnilo jako prvním na světě objevit dosud neznámý způsob krystalizace vody a zejména novou fázi ledu, 21. , nazvanou led XXI.
Mnohostrannost vody
Nezapomínejme, že voda je jednou z nejpodivnějších látek v pozorovatelném vesmíru. Na rozdíl od většiny kapalin se při zamrzání rozšiřuje, působí jako prakticky univerzální rozpouštědlo a je samozřejmě nezbytná pro život, alespoň v podobě, v jaké ji známe na Zemi. Do určité míry můžeme některé její vlastnosti reprodukovat pomocí složitých vědeckých výpočtů s využitím Schrödingerovy rovnice. K odhalení všech jejích tajemství jsou však stále nezbytné experimenty.
Zejména víme, že po ztuhnutí může existovat v různých fázích, a proto existují různé typy vodního ledu, jak ukázaly četné experimenty fyzika P. W. Bridgmana. Přispěl k rozšíření našich znalostí o typech ledu, když v roce 1912 poprvé vytvořil led V a VI a poté v roce 1937 led VII. Před ním byl první led, který lidstvo objevilo, a to ledovcový a sněhový, klasifikován na počátku 20. století estonským fyzikem a chemikem Gustavem Heinrichem Tammannem (německého a baltského původu) pod názvem „Ih-led“ (písmeno „h“ označuje, že je součástí krystalů s hexagonální krystalovou strukturou).
Pro napodobení podmínek panujících v hlubinách planet lze vzorky materiálu umístit mezi špičky dvou diamantů. Diamanty se poté stlačí k sobě, čímž vznikne velmi vysoký tlak. Infračervený laserový paprsek pak může vzorek zahřát na teplotu 1000 °C a více.
Vnitřní struktura planet v laboratoři
Nezapomeňme také, že právě díky nositeli Nobelovy ceny za fyziku Percy Williams Bridgemanovi a zejména jeho žákovi Francisovi Birchovi bylo prokázáno, že plášť Země se skládá převážně ze silikátů a že naše planeta má také tekuté vnější jádro a pevné vnitřní jádro, které se skládají z železa.
Věděli jste to?
Percy Williams Bridgman (1882–1961), laureát Nobelovy ceny za fyziku z roku 1946, připravil cestu pro studium látek pod vysokým tlakem v nitru planet. Mezi jeho žáky patřili Robert Oppenheimer, velký geofyzik Francis Birch a John Hasbrouck van Vleck (nositel Nobelovy ceny za fyziku z roku 1977). Je považován za jednoho z nejvlivnějších teoretiků operacionalismu v epistemologii.
Bridgman byl jedním z průkopníků fyziky vysokých tlaků pozorovaných v velkých hloubkách, v plášti, v jádru Země a dokonce i v jádrech obřích planet, jako je Jupiter. Pro tento účel vynalezl a vyvinul metodu, která umožňuje vystavit vzorky materiálů tlaku přesahujícímu 100 000 atmosfér pomocí diamantových kovadlin. Existuje několik moderních analogů těchto přístrojů.
Gyn Woo Lee z Korejského institutu pro standardizaci a vědu (KRISS) odhalil neznámé fáze a mechanismy krystalizace ve vodě při rychlém stlačení pomocí dynamické komory s diamantovými kovadlinami (dDAC) a přístroje pro měření vysoké hustoty energie (HED). On a jeho tým zkoumali strukturální změny vody s vysokou hustotou (HDW) a zmapovali cesty jejích přechodů při různých rychlostech stlačování. Díky komorám s diamantovými kovadlinami a evropskému rentgenovému laseru XFEL , který umožňuje kontrolovat a detekovat vysoké rychlosti stlačování, byly objeveny přechodné metastabilní fáze s velmi krátkou dobou života.
Pokud jde o nový led syntetizovaný na Zemi pomocí komory Diamond-Ambank, jeden z autorů objevu, Lee Yong-Hee, vysvětluje v tiskové zprávě Korejské národní rady pro vědu a technologie , že „ hustota ledu XXI je srovnatelná s hustotou vysokotlakých ledových vrstev na ledových měsících Jupitera a Saturnu . Tento objev může poskytnout nové podněty pro výzkum původu života v extrémních podmínkách vesmíru “.
Nová fázová diagram pro vodu
V každém případě to umožňuje rozšířit již dobře známý fázový diagram termodynamiky vody při různých tlacích a teplotách, který zahrnuje více než deset typů ledu. Studium těchto různých fází by nám mohlo poskytnout obecné informace o tom, jak získávat nové materiály na Zemi, a tím stimulovat technologický průlom. V této souvislosti si samozřejmě vzpomínáme na výzkum kovového vodíku, který by mohl poskytnout klíč k supravodivosti při pokojové teplotě.
Abychom osvětlili, co udělali fyzici pracující v oblasti kondenzovaného stavu, můžeme začít tím, že nejprve vytvořili tlak dva gigapascaly za 10 milisekund (milisekunda se rovná jedné tisícině sekundy) na vzorku vody s rychlostí stlačování 120 gigapascalů za sekundu. To vedlo k dočasnému vytvoření ledu i při pokojové teplotě, kde jsou molekuly mnohem kompaktnější než v přírodním ledu. Poté snížili tlak v komoře kovadliny za jednu sekundu pomocí piezoelektrického systému, který využívá schopnost piezoelektrických materiálů roztahovat se nebo smršťovat pod vlivem elektrického pole, podle tiskové zprávy Evropského rentgenového laseru na volných elektronech (XFEL).
V tiskové zprávě se také uvádí, že „skupina použila rentgenové paprsky evropského XFEL k pořizování snímků vzorku každou mikrosekundu, tedy miliontinu sekundy. Extrémně vysoká frekvence těchto pulzů, srovnatelná s frekvencí vysokorychlostní kamery, jim umožnila zachytit vznik ledové struktury“.
Gyn Woo Lee vysvětluje: „Díky jedinečným rentgenovým paprskům evropského XFEL jsme demonstrovali více cest krystalizace ve vodě, která byla rychle stlačena a uvolněna více než 1000krát pomocí dynamické komory s diamantovými kovadlinami“.
„Naše výsledky naznačují existenci většího počtu vysokoteplotních metastabilních fází ledu a souvisejících přechodových cest, které mohou poskytnout nový pohled na složení ledových měsíců,“ uzavírá Rachel Hasband, členka týmu Desi Hibefa.
