Buz Devleri’nin Uç Basınç Altında Su Buzu Tuhaf Davranır

Her insan, tüm yaşamı boyunca suyla kapsamlı bir ilişki içindedir. Vücudumuzun %50’si sudur. Su içer, yıkanır ve suda yüzeriz. Buzda kayarız, kar tahtası yaparız ve onunla top oynarız. Tanıdıklığını her zaman doğal karşılayabiliriz.

Yeryüzünde su, anlaması en basit bileşiktir. Ya sıvı, ya katı, ya da gazdır ve liseye gelindiğinde çoğumuz onun bileşen atomlarına ayrışabildiğini biliriz. Ancak bilim, buz suyu hakkında tuhaf bir gerçeği ortaya koyar. Güneş Sistemi, tuhaf ortamlara sahip dünyaları barındırır. Suyun su olabilmesi için her zaman iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomu içermesi gerekir. Ancak yeni araştırmalar, aşırı basınç altında buz suyunun, moleküler kimliğini geride bırakan, şaşırtıcı bir biçim değiştiriciye dönüştüğünü gösteriyor.

Araştırma, “Evidence for symmetry-reduction in solid H2O above 222 GPa” başlığını taşıyor ve Communications Chemistry’de yayımlandı. Araştırmanın baş yazarı, Nevada Las Vegas Üniversitesi’nden fizikçi Ashkan Salamat ve üniversitenin Nevada Extreme Conditions Lab’ının direktörü.

“Suyun basınç altında nasıl davrandığı inanılmaz.” – Ashkan Salamat, UNLV.

20’den fazla buz türü var ve her biri farklı bir basınç ve sıcaklıkta oluşuyor. Bunlar, yeryüzündeki su gibi yalnızca sıcaklıkla yönetilmiyor. Adlandırma biçimleri, uzman olmayanlar için kafa karıştırıcı çünkü bekleneceği gibi artan basınç ve sıcaklığa göre değil, keşif sırasına göre adlandırılıyorlar. Bunların arasında ice-X özel bir yere sahip.

Genellikle, basınç altındaki bir malzemenin atomları birbirine daha yakın olacak şekilde zorlanır ve basınç arttıkça, daha yüksek simetriye sahip düzenlemeler oluştururlar. Buzda, ice-X’e kadar olan tüm süreçte olan şey bu. Ice-X, yeryüzünde, hatta yeryüzünün mantounda bile mevcut olmayan aşırı basınç altında oluşuyor.

Suyun logaritmik-lineer basınç-sıcaklık faz diyagramı. Su, ice-X’e kadar moleküler olarak kalır. Fazlar keşif sırasına göre adlandırılır. Görsel Kaynağı: Cmglee – Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=14939155

“Su (H2O), Güneş Sistemi’ndeki en önemli bileşiklerden biri, buzlu gezegenlerin yapısını ve dinamiğini yönetir, karasal su döngüsünü belirler ve hidrojen-iyon bağlanmasına yönelik basınç kaynaklı geçiş yoluyla, gezegen içlerinin basınç aralığında belirgin değişimler sergiler,” yazarlar yazıyor. Ice-X, Uranüs ve Neptün’de, Güneş Sistemi’nin buzlu gezegenlerinde uygulanan türden muazzası bir basınç altında oluşuyor.

Bu basınçlar altında, oksijen atomları yer değiştirir. Tam olarak iki hidrojen atomunun tam ortasında oturmak zorunda kalırlar; ice-X’in imzası budur. Bu, beklediğimiz gibi kübik, simetrik bir kristal örgü oluşturur. Bu, su buzunun moleküler olma özelliğini kaybettiği önemli bir geçiş. Ancak aynı zamanda, artan basınç altında buz simetriyi korur kuralına uyar.

Bu illüstrasyon, aşırı yüksek basınçlar altında oluşan ice X’i gösteriyor. Simetriktir; her oksijen atomu tam olarak iki hidrojen atomunun tam ortasında oturmaya zorlanır. Görsel Kaynağı: Militzer ve Wilson, 2010. APS.

Ice-X, Uranüs ve Neptün’deki aşırı basınçlar altında oluşmasına rağmen, araştırmacılar daha da büyük basınç altında, buzlu gezegenlerin derinliklerinde kendini gösteren daha da aşırı basınç türü altında ne olacağını görmek istedi. Bu aşırı basınçlar altında beklenen simetriyi sergiler miydi? Bu dünyalarda tuhaf bir davranış sergileyebilir miydi?

“Yeryüzü benzeri koşulların ötesindeki su, daha önce asla hayal edemediğimizden daha karmaşık bir davranışa sahip,” baş yazar Salamat, bir basınç yayınında söyledi. “Suyun basınç altında nasıl davrandığı inanılmaz.”

Bu çalışmada, baş yazar Salamat ve eş araştırmacıları suyu, numuneleri aşırı basınç altına yerleştiren deneysel bir aygıt olan elmas ağırlı hücreye koydu.

“Bu gezegenlerin kabuğuna veya atmosferine, uzaklık nedeniyle giremeyiz, ancak Voyager programı gibi kaynaklardan verilerimiz var,” dedi Salamat. “Onların bileşimleri, iç basınç ve sıcaklıkları hakkında bir fikrimiz var. Ve benim laboruarım gibi laboruarlarda, bu gezegenlerin içinde olabilecek kimyayı taklit edebilir ve deneyebiliriz.”

Su, ice-X oluşumundan daha yüksek olan 35 milyon PSI basınç altına tabi tutuldu. Bu son derece yüksek basınç Uranüs ve Neptün’de mevcuttur ve araştırmacılar ne olacağını görmek istedi.

Araştırmacılar, elmas civarında hücreye aşırı basınç altında tabi tutulan hidrojen ve oksijen atomlarının yapısal düzenini gözlemlemek için spektroskopi ve x-ışınlarını kullandı. Su, beklendiği gibi daha yüksek simetriye ulaşmadı. Bunun yerine daha düşük simetri gösterdi. “Burada, su buzdunun 222(12) GPa üzerinde kübik simetrini kaybederek ice-X’ten bir dönüştürme geçirdiğine dair deney kanıtları sunuyoruz,” araştırmacılar yazıyor.

222 (+/- 12) gigapascal, etkileyici miktarda bir basınçtır. Dünya’nın atmosfer basıncından 2 milyondan fazla daha fazlasıdır. “Bu geçiş, yüksek basınçlı H2O’da yeni bir yapısal karmaşıklık rejiminin başlangıcını işaretliyor ve ice-X’in üst kararlılık sınırını yeniden tanımlıyor,” yazarlar yazıyor.

Bu basınçlarda buz simetrini kaybetse de, hala teorik tahminlerle uyum içindedir, bu da biraz tuhaflığı alıyor. “Ice-X için ölçülen durum denklemi ve yeni gözlemlenen fazın hücre parametrelerinin evrimi, teorik modellerle iyi bir şekilde örtüşüyor,” yazarlar yazıyor ve “Bu deneyler, yüksek basınç altında H2O sıkıştırmanın karmaşıklıklarını öne çıkarıyor…” diye ekliyor.

Son yıllarda, bazı kimyasalların diğer gezegenlerde burada Dünya’daki gibi başka üretim yollarına sahip olabileceğini keşfettik. Mars’taki metan bir örnektir ve Venüs’teki fosfin buna başka bir örnek olabilir. Bunlar kesin kanıt örnekleri değil, ancak bize gezegen ortamlarının ne kadar farklı olabileceğini hatırlatan ipuçları.

Bu çalışma, su buzdununun da aynı şeyi yaşayabileceğini gösteriyor. Basit su gibi şeylerin, Güneş Sistemi’ndeki diğer aşırı ortamlarda öngörülebilir şekillerde davranacağını varsayamayız. Örneğin, Uranüs, baskınca 700 gigapascala (GPa) ulaşabilecek buzlu-sıvı bir mantoya sahip.

“Güneş Sistemimizin ve gözlemlenebilir evrenimizin mekanizmalarını anlamak, insan bilgisinin çabas için kritik önem taşır,” diyor Salamat. “Bu dünyalara sonunda ulaştığımızda, ne göreceğiz? Bu soruları cevaplamaya laboratuvarda çalışırken gerçekten ilk öncüleriz.”