Bilim insanları, suyu 2,3 milyon atmosfer basınca ve yaklaşık 2 bin 357 derece sıcaklığa maruz bırakarak daha önce farklı koşullarda gözlemlenen süperiyonik buzun yeni bir kristal yapısını ortaya çıkardı.
Fransa Alternatif Enerjiler ve Atom Enerjisi Komisyonundan fizikçi Alexis Forestier liderliğindeki araştırma ekibi tarafından gerçekleştirilen çalışma, suyun aşırı sıcaklık ve basınç altında sıra dışı bir yapıya dönüşebildiğini gösterdi. Araştırmanın sonuçları Physical Review Letters dergisinde yayımlandı.
Suya 2,3 milyon atmosfer basınç uygulandı
Deneyde su örnekleri elmas örsler arasına yerleştirilerek olağanüstü yüksek basınca maruz bırakıldı ve ardından lazerlerle ısıtıldı.
Su üzerindeki basınç 230 gigapaskala, yani Dünya yüzeyindeki atmosfer basıncının yaklaşık 2,3 milyon katına çıkarıldı. Sıcaklık ise 2 bin 630 kelvine, yaklaşık 2 bin 357 santigrat dereceye ulaştırıldı.
Normal koşullarda bu sıcaklıklarda suyun gaz hâline geçmesi veya moleküler yapısının değişmesi beklenirken, aşırı basınç suyun serbestçe genleşmesini engelledi.
Ne tamamen katı ne de tamamen sıvı
Araştırmacılar örnekleri senkrotron X-ışını analizleriyle inceledi. Analizler sonucunda suyun “altıgen sıkı düzen” olarak adlandırılan hcp kristal yapısına geçtiği belirlendi.
Ortaya çıkan süperiyonik buz, klasik anlamda ne tamamen katı ne de tamamen sıvı olarak değerlendiriliyor. Bu yapıda oksijen atomları kristal kafes içerisinde sabit kalırken hidrojen çekirdekleri yapı içinde hareket edebiliyor.
Oksijen sabit kalıyor, hidrojen hareket ediyor
Süperiyonik buzun sıra dışı özelliklerinin temelinde atomların bu farklı davranışı bulunuyor. Oksijen atomları düzenli ve katı bir iskelet oluştururken hidrojen çekirdekleri sıvılardaki parçacıklara benzer şekilde hareket edebiliyor.
Bu yapı, süperiyonik buzun başta elektriksel iletkenlik olmak üzere fiziksel özelliklerinin Dünya’da karşılaşılan sıradan buzdan önemli ölçüde farklı olmasına yol açıyor.
Basınç arttıkça kristal yapı değişti
Bilim insanları daha önce süperiyonik buzu yüzey merkezli kübik (fcc) kristal yapıda gözlemlemişti. Yeni deneyler ise sıcaklık ve basınç yükseldikçe kristal yapının değişebildiğini ortaya koydu.
155 gigapaskal basınç ve 2 bin kelvin sıcaklıkta farklı kristal düzenlerin bir arada bulunduğu karma bir yapı tespit edildi. Basınç 219 gigapaskala, sıcaklık ise 2 bin 630 kelvine yükseltildiğinde hcp kristal yapısının tamamen baskın hâle geldiği görüldü.
Uranüs ve Neptün’ün iç yapısına ışık tutabilir
Keşfin önemi yalnızca laboratuvarda yeni bir buz yapısının elde edilmesiyle sınırlı değil. Bilim insanları, Uranüs ve Neptün gibi buz devi gezegenlerin derinliklerinde suyun Dünya’dakinden çok farklı sıcaklık ve basınç koşullarında bulunabileceğini düşünüyor.
Bu gezegenlerin iç kısımlarında süperiyonik buzun oluşabileceği koşulların bulunması ihtimali, yeni keşfi gezegen bilimi açısından da önemli hâle getiriyor.
Gezegenlerin karmaşık manyetik alanları için yeni ipucu
Uranüs ve Neptün, Güneş Sistemi’ndeki diğer gezegenlerden farklı ve karmaşık manyetik alanlara sahip. Araştırmacılar, gezegenlerin derinliklerinde bulunabileceği düşünülen süperiyonik buzun elektriksel iletkenliği ve mekanik özelliklerinin bu manyetik alanların oluşumunu anlamada rol oynayabileceğini değerlendiriyor.
Yeni hcp yapısının özelliklerinin daha ayrıntılı incelenmesinin, buz devi gezegenlerin iç yapılarına ilişkin modellerin geliştirilmesine katkı sağlaması bekleniyor.
Günlük hayattaki buzdan tamamen farklı
Dünya’da günlük yaşamda karşılaşılan buz, su moleküllerinin düşük sıcaklıkta düzenli bir kristal yapı oluşturmasıyla meydana geliyor. Yeni araştırmada ortaya çıkarılan süperiyonik yapı ise yaklaşık 2 bin 357 derece sıcaklık ve milyonlarca atmosferlik basınç gibi olağanüstü koşullarda oluşuyor.
Araştırmacıların sonraki çalışmalarında yeni süperiyonik buz yapısının iletkenlik, kararlılık ve diğer fiziksel özelliklerini daha ayrıntılı incelemesi ve elde edilen sonuçların Uranüs ile Neptün modellerine etkisini araştırması bekleniyor.
