1900-luvulla kondensoituneen tilan ja korkean paineen fysiikkaan erikoistuneet fyysikot erottivat 20 erilaista kiteisen jään faasia. Nämä faasit löydettiin erittäin laajalla fysikaalisilla olosuhteilla, jotka kattoivat yli 2000 K:n lämpötila-alueen ja yli 100 GPa:n painealueen. Nyt jää on löydetty ja tutkittu röntgenlaserin avulla.
Sisällysluettelo
Tänään Nature Materials -lehdessä julkaistussa artikkelissa käsiteltävä löytö havainnollistaa jälleen kerran kahta fysiikan alaa, jotka ovat erittäin tärkeitä, mutta todennäköisesti vähän tunnettuja suurelle yleisölle, joka nykyään on todennäköisesti paljon kiinnostuneempi mustista aukoista, kvanttitietokoneista tai elämän etsimisestä muualta.
Kyseessä ovat kristallografia ja korkeapainefysiikka. Tieteellinen kristallografia sai alkunsa 1700-luvun lopulla, pääasiassa abbé René Just Gay-Lussac’n ponnistelujen ansiosta. 1900-luvun alussa se koki vallankumouksen röntgensäteiden keksimisen ja kehittämisen ansiosta.
Korkeapainefysiikka on myös kehittynyt merkittävästi viime vuosisadan aikana, mikä on mahdollistanut erityisesti maapallon sisäisten rakenteiden fysiikan tutkimisen ja nyt myös aurinkokunnan jättiläisplaneettojen ja niiden kuiden tutkimisen sekä lopulta myös joidenkin tutkimusten tekemisen eksoplaneettojen aurinkokunnan ulkopuolella.
Röntgenlaser kondensoituneiden ympäristöjen tutkimiseen
Palataan kuitenkin tämän artikkelin alussa mainittuun julkaisuun, jossa kerrotaan kansainvälisen tutkijaryhmän työstä Korean tutkimusinstituutin standardien ja tieteen (KRISS) jäsenten johdolla. Ryhmä on hyödyntänyt röntgensäteilyn lähdettä vaikuttavassa ympäristössä, joka liittyy laser Eurooppalainen elektronit vapaa ja röntgen (englanniksi: European X-ray elektronilaser tai eurooppalainen XFEL), joka sijaitsee lähellä DESY-tutkimuskeskuksen lähellä Hampurissa, Saksassa. DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron: saksalainen elektronisynkrotroni) on tärkeä tutkimuslaitos Euroopassa hiukkasfysiikan alalla.
Eurooppalainen XFEL mahdollisti fysiikan kiinteän He käyttivät erityisen voimakasta röntgensäteilyn alueella toimivaa laserpulssia tutkiakseen, mitä tapahtuu, kun huoneenlämpötilassa oleva vesi altistetaan yli 2 gigapascalin (2 GPa) noin mikrosekunnin (μs, miljoonasosa sekunnista) ajan. Tämä antoi heille mahdollisuuden löytää ensimmäisenä maailmassa aiemmin tuntematon veden kiteytymistapa ja, mikä vielä tärkeämpää, uuden jääfaasin, 21. , nimeltään Jää XXI.
Veden moninaisuus
Muistetaan, että vesi on yksi omituisimmista aineista havaittavassa maailmankaikkeudessa . Se laajenee jäätyessään, toisin kuin useimmat…nesteet käyttäytyy kuin liuotin Se on lähes universaali ja tietysti välttämätön elämälle, ainakin sellaiselle, jonka tunnemme maapallolla. Voimme jossain määrin jäljitellä joitakin sen ominaisuuksia suorittamalla monimutkaisia ja hankalia laskelmia. tietokone Schrödingerin yhtälöllä . Mutta kokeet ovat edelleen tarpeen, jotta kaikki sen salaisuudet paljastuisivat.
Tiedämme erityisesti, että jähmettyneenä se voi esiintyä eri faaseissa, ja siksi on olemassa useita tyyppejä vesijäätä, kuten fyysikko P. W. Bridgmanin tekemät kokeet ovat osoittaneet. Hän on edistänyt tietämystämme jään tyypeistä löytämällä ensin vuonna 1912 jään V ja VI ja sitten vuonna 1937 jään VII. Ennen häntä ihmiskunnan löytämä ensimmäinen jää – jäätiköt ja lumi – luokiteltiin 1900-luvun alussa vuosikymmenen alussa virolaisella fyysikolla ja kemistillä Gustav Heinrich Tammannilla (alkuperältään baltian saksalainen) nimellä ”Ih-jää” (kirjain ”h” viittaa siihen, että se kuuluu kuusikulmaisen kristalliverkon kristalliryhmään).
Planeettojen sisälmykset laboratoriossa
Muistetaan myös, että juuri Nobelin fysiikanpalkinnon saaja Percy Williams Bridgman ja erityisesti hänen oppilaansa Francis Birch osoittivat, että maapallon kuori koostuu pääasiassa silikaateista ja että planeetallamme on myös nestemäinen ulkokerros ja kiinteä sisäkern, jotka molemmat koostuvat raudasta.
Tiesitkö tämän?
Vuoden 1946 Nobelin fysiikan palkinnon voittaja Percy Williams Bridgman (1882–1961) oli edelläkävijä planeettojen sisällä esiintyvän korkeapaineisen aineen tutkimuksessa. Hänen oppilaitaan olivat Robert Oppenheimer, tunnettu geofyysikko Francis Birch ja John Hasbrouck van Vleck (vuoden 1977 fysiikan Nobel-palkinnon saaja). Häntä pidetään yhtenä vaikutusvaltaisimmista operationalismin teoreetikoista epistemologiassa .
Bridgewater oli todellakin yksi korkeapainefysiikan pioneereista, joka tutki suuria paineita, joita esiintyy syvällä maankuoressa, maapallon ytimessä tai jopa jättiläisplaneettojen, kuten Jupiterin, ytimessä. Tätä varten hän keksi ja kehitti tekniikan, jolla näytteitä voidaan käsitellä yli 100 000 ilmakehän paineessa käyttämällä timanttiankkurikennostoja. Näistä välineistä on olemassa useita nykyaikaisia jälkeläisiä.
Mitä tulee uuteen, maapallolla syntetisoituun jäähän, jota valmistetaan myös timanttiankkurikennostolla, yksi sen keksijöistä, Lee Yong-hee, selittää Korean kansallisen tiede- ja teknologianeuvoston lausunnossa, että ”XXI-jään tiheys on verrattavissa korkeapaineisten jääkerrosten tiheyteen, joita on löydetty Jääkuun sisältä Jupiterista ja Saturnuksesta. Tämä löytö voi antaa uusia vastauksia kysymyksiin elämän alkuperästä avaruuden äärimmäisissä olosuhteissa.
Uusi faasikaavio vedelle
Joka tapauksessa tämä antaa meille mahdollisuuden päättää… hieman enemmän faasikaavio termodynamiikka Vesi eri paineissa ja lämpötiloissa, jotka olivat jo tiedossa ja joita mainittiin yli kymmenessä jäässä. Näiden eri faasien tutkiminen voisi antaa meille yleistä tietoa siitä, miten saada uusia materiaaleja maapallolla, ja siten edistää teknologista läpimurtoa. Tässä yhteydessä muistamme luonnollisesti tutkimukset metallisesta vedystä, jotka voisivat antaa meille avaimen huoneenlämpötilassa tapahtuvaan suprajohtavuuteen.
Selventääksemme, mitä kondensoitunutta ainetta tutkivat fyysikot tekivät, voimme aloittaa siitä, että he ensin loivat kahden gigapascalin paineen 10 millisekunnissa (millisekunti vastaa yhtä tuhannesosaa sekunnista) vesinäytteeseen, nopeudella 120 gigapascalia sekunnissa. Tämä johti lyhytaikaiseen jään muodostumiseen jopa huoneenlämmössä, molekyylit Ne muuttuvat paljon tiiviimmiksi kuin luonnollisessa jäässä. Sitten ne vapauttivat paineen alasimen soluissa yhden sekunnin aikana käyttämällä pietsosähköistä järjestelmää, joka hyödyntää pietsosähköisten materiaalien kykyä laajentua tai supistua sähkökentän vaikutuksesta, selitetään Euroopan XFEL:n lausunnossa.
Se lisää, että ”tiimi käytti Euroopan XFEL:n röntgensäteilyimpulsseja ottaakseen kuvia näytteestä joka mikrossekunti, eli miljoonasosa sekunnista. ”Näiden pulssien erittäin korkean intensiteetin ansiosta, joka on verrattavissa nopean kameran intensiteettiin, he onnistuivat kuvaamaan jäärakenteen muodostumisen”.
Gyn Lee selittää: ”Eurooppalaisen XFEL:n ainutlaatuisten röntgensäteilyimpulssien ansiosta havaitsimme useita kiteytymisreittejä vedessä, joka puristettiin ja puristettiin nopeasti yli 1000 kertaa käyttämällä dynaamista kennoa, jossa oli timanttiankkureita”.
”Tuloksemme viittaavat siihen, että jäässä on enemmän faaseja” metastabiileja korkeassa lämpötilassa ja niihin liittyviä siirtymäreittejä, jotka voivat valottaa jääkuiden koostumusta”, toteaa Desi Hibefin tiimin jäsen Rachel Hasband.
