Bilim insanları, suyun aşırı basınç ve sıcaklık altında alışılmışın dışında davranarak yeni bir süperiyonik buz yapısına dönüştüğünü ortaya koydu.
Fransa Alternatif Enerjiler ve Atom Enerjisi Komisyonu’ndan fizikçi Alexis Forestier liderliğindeki araştırma ekibi, laboratuvar ortamında suyu milyonlarca atmosferlik basınca ve 2 bin derecenin üzerindeki sıcaklıklara maruz bıraktı.
Physical Review Letters dergisinde yayımlanan çalışmada elde edilen bulguların, özellikle Uranüs ve Neptün gibi buz devi gezegenlerin iç yapısını ve sıra dışı manyetik alanlarını anlamaya yardımcı olabileceği değerlendiriliyor.
Suya 2,3 milyon atmosfer basınç uygulandı
Deneylerde su örnekleri elmas örsler arasına yerleştirildi ve olağanüstü yüksek basınca maruz bırakıldı.
Basınç 230 gigapaskala, yani Dünya yüzeyindeki atmosfer basıncının yaklaşık 2,3 milyon katına kadar çıkarıldı.
Ardından örnekler lazerlerle ısıtıldı. Sıcaklık 2 bin 630 kelvine, yaklaşık 2 bin 357 santigrat dereceye ulaştı.
Normal koşullarda su bu sıcaklıklarda sıvı veya gaz halinde bulunamazken, uygulanan devasa basınç moleküllerin farklı bir yapıya geçmesine neden oldu.
Ne tamamen katı ne tamamen sıvı
Araştırmacılar, örnekleri senkrotron X-ışını analizleriyle incelediğinde suyun altıgen sıkı paketlenmiş kristal yapı (hcp) oluşturduğunu belirledi.
Ortaya çıkan süperiyonik buz, günlük yaşamda bildiğimiz buzdan oldukça farklı özelliklere sahip.
Bu yapıda oksijen atomları sabit bir kristal kafes oluştururken hidrojen çekirdekleri kafesin içerisinde hareket edebiliyor.
Bu nedenle süperiyonik buz, aynı anda hem katı hem de sıvıya özgü bazı özellikler sergiliyor.
Oksijenler sabit, hidrojen çekirdekleri hareketli
Süperiyonik buzun en dikkat çekici özelliğini atomların farklı davranışları oluşturuyor.
Oksijen atomları düzenli ve katı bir yapı içerisinde yerini korurken, hidrojen çekirdekleri bu yapı içerisinde daha serbest biçimde hareket ediyor.
Bu durum süperiyonik buzun elektriksel iletkenlik ve mekanik özelliklerinin, sıradan buzdan büyük ölçüde farklı olmasına yol açıyor.
Basınç yükseldikçe kristal yapı değişti
Bilim insanları süperiyonik buzu daha önce farklı bir kristal düzen olan yüzey merkezli kübik yapı (fcc) içerisinde gözlemlemişti.
Yeni deneyler ise basınç ve sıcaklığın artmasıyla kristal yapının değişebildiğini gösterdi.
Araştırmada yaklaşık 155 gigapaskal ve 2 bin kelvin koşullarında farklı kristal düzenlerin birlikte bulunduğu karma bir yapı gözlemlendi.
Basınç ve sıcaklık daha da yükseltildiğinde ise hcp kristal yapısının baskın hale geldiği belirlendi.
Uranüs ve Neptün’ün derinliklerine benzer koşullar
Araştırmanın gezegen bilimi açısından önemi, deneylerde oluşturulan koşulların Uranüs ve Neptün’ün iç bölgelerinde bulunabileceği düşünülen basınç ve sıcaklıklara benzemesinden kaynaklanıyor.
Bilim insanları, buz devi olarak sınıflandırılan bu gezegenlerin derinliklerinde suyun Dünya’dakinden çok farklı fiziksel hallerde bulunabileceğini düşünüyor.
Süperiyonik buzun da bu gezegenlerin iç katmanlarında önemli miktarlarda bulunabileceği ihtimali üzerinde duruluyor.
Sıra dışı manyetik alanların açıklanmasına katkı sağlayabilir
Uranüs ve Neptün’ün manyetik alanları, Güneş Sistemi’ndeki diğer büyük gezegenlere kıyasla oldukça farklı bir yapıya sahip.
Her iki gezegenin manyetik eksenleri merkezlerinden belirgin şekilde saparken, alanları da karmaşık ve düzensiz özellikler gösteriyor.
Araştırmacılar, süperiyonik buzun sahip olduğu elektriksel iletkenliğin, gezegenlerin içindeki elektrik akımlarının ve dolayısıyla manyetik alanlarının oluşumunda rol oynayabileceğini değerlendiriyor.
Yeni keşfedilen hcp yapısının iletkenlik özelliklerinin ölçülmesi, bu modellerin daha ayrıntılı hale getirilmesine yardımcı olabilir.
Dinozor çağından değil, gezegenlerin derinliklerinden bir fizik
Günlük hayatta buz düşük sıcaklıklarla ilişkilendirilirken, yeni çalışma aşırı basınç altında suyun binlerce derecelik sıcaklıklarda bile kristal özellik gösterebildiğini ortaya koyuyor.
Yaklaşık 2 bin 357 derece sıcaklık ve milyonlarca atmosfer basınçta oluşan süperiyonik yapı, maddenin uç koşullarda ne kadar farklı davranabileceğini gösteren dikkat çekici örneklerden biri oldu.
Araştırmacıların bundan sonraki çalışmalarında bu yeni buz yapısının iletkenliği, kararlılığı ve gezegen içi koşullardaki davranışının daha ayrıntılı şekilde incelenmesi bekleniyor.
