Doğa Yasalarına Meydan Okuyan Yeni Bir Buz Formu Bulundu
Avrupa XFEL ve DESY’deki araştırmacılar, aşırı basınca maruz kaldığında oda sıcaklığında var olabilen sıra dışı buz formlarını araştırıyor.
Buz, yalnızca su moleküllerinden oluşsa bile birçok formda bulunur. Bilim insanları, her biri kendine özgü moleküler dizilime sahip 20’den fazla benzersiz katı buz yapısı veya “fazı” tespit etti. Bu varyasyonlar, buz I, buz II ve buz III gibi Roma rakamlarıyla işaretlenmiştir.
Son zamanlarda yapılan bir atılımla, Kore Standartlar ve Bilim Araştırma Enstitüsü’nden (KRISS) bilim insanlarının liderliğindeki uluslararası bir araştırma ekibi, buz XXI olarak bilinen tamamen yeni bir faz keşfetti. Avrupa XFEL ve PETRA III’teki gelişmiş X-ışını tesislerini kullanan ekip, daha önce bilinmeyen bu yapıyı yakalayıp analiz etti. Bulguları Nature Materials dergisinde yayınlandı.
Buz XXI, şimdiye kadar gözlemlenen diğer buz formlarından farklıdır. Sıvı suyun hızlı bir şekilde sıkıştırılmasıyla oluşur ve bilim insanlarının oda sıcaklığında “aşırı sıkıştırılmış su” olarak adlandırdığı şeyi oluşturur. Bu faz metastabildir, yani aynı koşullar altında başka bir buz türü normalde daha kararlı olsa bile bir süre devam edebilir. Bu keşif, buzun aşırı basınç altında nasıl davrandığı ve dönüştüğü konusunda değerli yeni bilgiler sunmaktadır.
Avrupa XFEL’deki HED deney istasyonunun IC2 etkileşim odası. Bu odada, elmas örs hücreleri kullanılarak buz XXI üretildi ve Avrupa XFEL’in yoğun ve ultra kısa X-ışını flaşlarıyla analiz edildi. Kaynak: Avrupa XFEL.
Basit Bir Molekülün Karmaşıklığı
Su veya H2O, sadece iki elementten oluşmasına rağmen, katı halinde dikkate değer bir karmaşıklık sergiler. Fazların çoğu yüksek basınç ve düşük sıcaklıklarda gözlemlenir. Ekip, farklı buz fazlarının basınçla nasıl oluştuğu ve değiştiği hakkında daha fazla bilgi edindi.
KRISS bilim insanı Geun Woo Lee, “Suyun hızlı bir şekilde sıkıştırılması, daha yüksek basınçlara kadar sıvı kalmasını sağlar; bu basınçlarda zaten buz VI’ya kristalleşmiş olması gerekirdi,” diye açıklıyor. Buz VI, Titan ve Ganymede gibi buzlu uyduların iç kısımlarında bulunduğu düşünülen özellikle ilgi çekici bir fazdır. Oldukça bozulmuş yapısı, metastabil buz fazlarına yol açan karmaşık geçiş yollarına izin verebilir.
Çoğu buz çeşidi yalnızca aşırı koşullar altında var olduğundan, araştırmacılar elmas örs hücreleri kullanarak yüksek basınç koşulları oluşturdu. Numune -bu durumda su- iki elmas arasına yerleştirilir ve bu elmaslar sertlikleri nedeniyle çok yüksek basınç oluşturmak için kullanılabilir. Su, normal hava basıncının yaklaşık 20.000 katı olan iki gigapaskal’a kadar basınç altında incelendi. Bu basınç, oda sıcaklığında bile buz oluşumuna neden olur, ancak moleküller normal buzdakinden çok daha sıkı bir şekilde paketlenmiştir.
Araştırmacılar, farklı basınç koşulları altında buz oluşumunu gözlemlemek için önce 10 milisaniye içinde (bir milisaniye, saniyenin binde biridir) iki gigapaskallık yüksek bir basınç oluşturdular. Ardından, örs hücresini 1 saniyelik bir süre boyunca serbest bıraktılar ve işlemi tekrarladılar. Bu döngüler sırasında ekip, Avrupa XFEL’in X-ışını flaşlarını kullanarak numunenin her mikrosaniyede -saniyenin milyonda biri- görüntülerini yakaladı. Son derece yüksek X-ışını darbesi hızıyla -yüksek hızlı bir kamera gibi çalışarak- buz yapısının nasıl oluştuğunu filme alabildiler.
Keşfin Kristalleştirilmesi
Ardından, PETRA III’teki P02.2 ışın hattını kullanan araştırmacılar, buz XXI’in, birim hücreler adı verilen şaşırtıcı derecede büyük tekrarlayan birimlerden oluşan tetragonal bir kristal yapıya sahip olduğunu belirlediler.
Lee, “Avrupa XFEL’in benzersiz X-ışını darbeleriyle, dinamik bir elmas örs hücresi kullanılarak 1000’den fazla kez hızla sıkıştırılıp gevşetilen H2O’da birden fazla kristalleşme yolu keşfettik,” diye açıklıyor. Avrupa XFEL’in Yüksek Enerji Yoğunluğu (HED) cihazında bu düzeneği uygulayan DESY HIBEF ekibinden Cornelius Strohm, “Bu özel basınç hücresinde, numuneler iki karşıt elmas örsün uçları arasında sıkıştırılıyor ve önceden tanımlanmış bir basınç yolu boyunca sıkıştırılabiliyor,” diyor.
Lee, “Sıvı H2O’nun kristalleştiği yapı, sıvının süper sıkıştırma derecesine bağlıdır,” diyor. DESY HIBEF ekibinden Rachel Husband ise, “Bulgularımız, daha fazla sayıda yüksek sıcaklıkta metastabil buz fazının ve bunlarla ilişkili geçiş yollarının var olabileceğini ve bu durumun buzlu uyduların bileşimine dair yeni bilgiler sunabileceğini gösteriyor,” diye ekliyor.
Hem DESY hem de Avrupa XFEL, suyu daha iyi anlamak için ortak çabalar sarf ediyor: DESY, Moleküler Su Bilimi Merkezi’nin ortak çalışmasıyla ve Avrupa XFEL, bu araştırmanın gerçekleştirildiği Su Çağrısı aracılığıyla. Avrupa XFEL Bilimsel Direktörü Sakura Pascarelli, “Bilim insanlarını su üzerine yenilikçi çalışmalar önermeye davet eden bir girişim olan Su Çağrısı’ndan bir başka harika sonuç görmek harika. İleride daha birçok heyecan verici keşif yapmayı dört gözle bekliyoruz.” diyor.
Kaynak: https://scitechdaily.com
40 Bin Yıldır Buzun İçinde Hapsolmuş Antik Mikroplar Yeniden Canlandırıldı