Nemrégiben a New York-i Brightonban található Lézerenergetikai laboratóriumban (Laboratory for Laser Energetics) szétlőttek egy vízcseppet a világ egyik legerősebb lézerével, ami olyan lökéshullámot hozott létre, amely a víz nyomását több millió atmoszférára, hőmérsékletét pedig több ezer fokra emelte. A másodperc töredéke alatt a cseppet átvilágító röntgensugarak nyújtottak először az emberiség számára bepillantást arra, hogyan is viselkedik a víz ilyen szélsőséges körülmények között – írja egy korábbi cikkében a Quanta magazin.

A röntgensugarak kimutatták, hogy a lökéshullám belsejében lévő víz nem vált túlhevült folyadékká vagy gázzá. Paradox módon – de éppen úgy, ahogy a szomszédos szobában a képernyőkre tapadt fizikusok várták – az atomok szilárdra fagytak, kristályos jeget képezve.

A Nature folyóiratban két éve közzétett eredmények megerősítik a szuperionikus jég, azaz a víz egy új, bizarr tulajdonságokkal rendelkező fázisának létezését. A fagyasztóban vagy az északi sarkon található jégtől eltérően a szuperionos jég fekete és forró. Egy adott mennyiség belőle négyszer annyit nyom, mint a normál jégkockából. Elméletileg először több mint 30 évvel ezelőtt jósolták meg, és bár eddig még soha nem látták, a kutatók szerint ez lehet az egyik leggyakoribb vízforma az univerzumban.

Legalábbis a Naprendszerben valószínűleg több víz létezik szuperionos jég formájában – amely az Uránusz és a Neptunusz belsejét is kitölti –, mint bármely más fázisban, beleértve a Föld, az Európa és az Enceladus óceánjaiban található folyékony formát is. A szuperionos jég felfedezése egy évtizedes rejtélyt old meg e jégóriás világok összetételével kapcsolatban.

A közönséges jégben található vízmolekulák hatszögletű elrendeződését, az úgynevezett jég Ih-t is beleértve a kutatók már zavarba ejtően sok, összesen 18 jégkristály-architektúrát fedeztek fel. Az I jég után, amelynek két formája van, az Ih és az Ic, a többit felfedezésük sorrendjében a II-től a XVII-ig számozzák.

A szuperionikus jég most már a XVIII. jég elnevezésre tarthat igényt. Ez egy új kristály, de egy csavarral. Az összes eddig ismert vízjég ép vízmolekulákból áll, amelyekben egy-egy oxigénatom két hidrogénnel kapcsolódik. De az új mérések megerősítik, hogy a szuperionos jég nem ilyen. Egyfajta szürrealista limbóban létezik, félig szilárd, félig folyékony. Az egyes vízmolekulák szétesnek. Az oxigénatomok kocka alakú rácsot alkotnak, de a hidrogénatomok szabadon szétáradnak, és folyadékként áramlanak át az oxigének merev ketrecén.

A szakértők szerint a szuperionos jég felfedezése igazolja a számítógépes előrejelzéseket, amelyek segíthetnek az anyagfizikusoknak, hogy a jövőben egyedi tulajdonságokkal rendelkező anyagokat alkossanak. A jég megtalálásához ultragyors mérésekre, valamint a hőmérséklet és a nyomás finom szabályozására volt szükség, ami tovább fejlesztette a kísérleti technikákat.

Attól függően, hogy kit kérdezünk, a szuperionos jég vagy egy újabb adalék a víz már amúgy is zsúfolt avatárjainak sorához, vagy valami még furcsább. Mivel a vízmolekulái széttörnek, ez nem egészen a víz új fázisa. Ez valójában az anyag egy új állapota, ami meglehetősen látványos.

A fizikusok évek óta a szuperionikus jég után kutatnak – azóta, hogy egy kezdetleges számítógépes szimuláció Pierfranco Demontis vezetésével 1988-ban megjósolta, hogy a víz felveszi ezt a furcsa, szinte fémszerű formát, ha az ismert jégfázisok térképén túlra toljuk.

A szimulációk szerint extrém nyomás és hő hatására a vízmolekulák megtörnek. Az oxigénatomok kocka alakú rácsba zárva, a hidrogének elkezdenek ugrálni a kristály egyik helyzetéből a másikba, és így tovább. A rácshelyzetek közötti ugrások olyan gyorsak, hogy a hidrogénatomok – amelyek ionizáltak, így lényegében pozitív töltésű protonok – folyadékként mozognak.

Ez azt sugallta, hogy a szuperionos jég vezetné az elektromosságot, mint egy fém, a hidrogének pedig az elektronok szokásos szerepét játszanák. Az, hogy ezek a laza hidrogénatomok szétáramlanak, a jég rendezetlenségét, vagyis entrópiáját is növelné. Ez a megnövekedett entrópia viszont sokkal stabilabbá tenné ezt a jeget, mint másfajta jégkristályokat, ami az olvadáspontjának emelkedését eredményezné.

De mindezt könnyű volt elképzelni, és nehéz volt bízni benne. Az első modellek egyszerűsített fizikát használtak, kézzel integettek a valódi molekulák kvantumtermészetének. A későbbi szimulációk több kvantumhatást is belehajtogattak, de még mindig megkerülték a több kvantumtest kölcsönhatásának leírásához szükséges tényleges egyenleteket, amelyek megoldása számítási szempontból túl nehéz. Ehelyett közelítésekre támaszkodtak, felvetve annak lehetőségét, hogy az egész forgatókönyv csak egy szimuláció délibábja. A kísérletek eközben nem tudták előállítani a szükséges nyomást anélkül, hogy ne termeltek volna annyi hőt, hogy még ez a szívós anyag is megolvadjon.

A probléma párolgása közben azonban a bolygókutatóknak is kialakult a saját gyanújuk, hogy a víznek lehet egy szuperionos jégfázisa. Éppen akkoriban, amikor a fázist először megjósolták, a Voyager 2 űrszonda a külső Naprendszerbe hajózott, és valami furcsát fedezett fel az Uránusz és a Neptunusz mágneses mezejével kapcsolatban.

A Naprendszer többi bolygója körüli mezők úgy tűnik, hogy erősen meghatározott északi és déli pólusokból állnak, más struktúra nélkül. Szinte olyan, mintha csak rúdmágnesek lennének a középpontjukban, amelyek a forgástengelyükhöz igazodnak. A bolygókutatók ezt a dinamóknak tulajdonítják: olyan belső régióknak, ahol a bolygó forgása során vezető folyadékok örvénylenek, hatalmas mágneses mezőket gerjesztve.

Ezzel szemben az Uránusz és a Neptunusz mágneses mezői dúsabbnak és összetettebbnek tűntek, több mint két pólussal. Emellett nem igazodnak olyan szorosan a bolygójuk forgásához. Ennek egyik módja az lenne, ha a dinamóért felelős vezető folyadékot valahogyan a bolygónak csak egy vékony külső burokba zárnák, ahelyett, hogy a magba engednék lejutni.

De az az elképzelés, hogy ezeknek a bolygóknak szilárd magjuk lehet, amely nem képes dinamót generálni, nem tűnt reálisnak. Ha beléjük fúrnánk, azt várnánk, hogy először egy ionos vízréteggel találkozunk, amely áramlik, áramot vezet és részt vesz a dinamóban. Naivan úgy tűnik, hogy még mélyebben, még forróbb hőmérsékleten lévő anyag is folyadék lenne.

Egy korábbi, tavaly februárban közzétett kísérletben a fizikusok közvetett bizonyítékot találtak a szuperionos jégre. Szobahőmérsékletű vízcseppet szorítottak két csiszolt gyémánt hegyes végei közé. Mire a nyomás körülbelül egy gigapascalra emelkedett, ami nagyjából tízszerese a Mariana-árok alján uralkodó nyomásnak, a víz egy VI. jégnek nevezett tetragonális kristállyá alakult át. Körülbelül 2 gigapascalra a VII. jégkristályba váltott át, egy sűrűbb, kocka alakú, szabad szemmel is átlátszó formába, amely a tudósok nemrégiben fedezték fel, hogy a természetes gyémántok belsejében is létezik .

Ezután a Lézerenergetikai laboratórium OMEGA lézerével célba vették a VII. jeget, még mindig gyémánt üllők között. Ahogy a lézer eltalálta a gyémánt felszínét, felfelé párologtatta az anyagot, gyakorlatilag rakétaként lökte el a gyémántot az ellenkező irányba, és lökéshullámot küldött a jégen keresztül. A kutatók megállapították, hogy a szupernyomásos jég körülbelül 4700 Celsius-fokon olvadt meg, ami nagyjából megfelel a szuperionos jégtől elvártaknak, és hogy a töltött protonok mozgásának köszönhetően valóban vezette az elektromosságot.

Miután a szuperionos jég ömlesztett tulajdonságaira vonatkozó jóslatok rendeződtek, az új tanulmány a következő lépést a jég szerkezetének vizsgálata jelentette.

Kísérletükben a VI. és VII. jeget teljesen kihagyták. Ehelyett a csapat egyszerűen lézerrel zúzta a vizet a gyémánt üllők között. Egy másodperc milliárdod része múlva, amikor a lökéshullámok végigfutottak és a víz nanométeres jégkockákká kezdett kristályosodni, a tudósok további 16 lézersugárral elpárologtattak egy vékony vasszeletet a minta mellett. Az így keletkező forró plazma röntgensugárral árasztotta el a kristályosodó vizet, amely aztán a jégkristályoktól eloszlott, így a csapat meg tudta különböztetni a szerkezetüket.

A vízben lévő atomok átrendeződtek a régóta megjósolt, de eddig soha nem látott szerkezetű XVIII. jégkristályba: egy kocka alakú rácsba, amelynek minden sarkában és minden oldal közepén oxigénatomok vannak.

És ez a fajta sikeres keresztellenőrzés a szimulációk és a valódi szuperionos jég között azt sugallja, hogy az anyagfizika kutatóinak végső álma hamarosan elérhető közelségbe kerülhet.

Az új elemzések arra is utalnak, hogy bár a szuperionos jég vezet némi elektromosságot, mégis egy pépes szilárd anyag. Idővel áramlik, de nem igazán kavarog. Az Uránusz és a Neptunusz belsejében tehát a folyékony rétegek körülbelül 8000 kilométer mélyen a bolygó belsejében megállhatnak, ahol egy hatalmas, lomha, szuperionos jégből álló köpeny kezdődik. Ez a dinamóhatás nagy részét sekélyebb mélységekre korlátozná, ami a bolygók szokatlan mezőit magyarázza.

A Naprendszer más bolygói és holdjai valószínűleg nem rendelkeznek a szuperionikus jég kialakulásához szükséges hőmérsékleti és nyomásviszonyokkal. Sok jégóriás méretű exobolygó azonban igen, ami arra utal, hogy ez az anyag gyakori lehet a jeges világok belsejében az egész galaxisban.

Természetesen azonban egyetlen valódi bolygó sem tartalmaz csak vizet. A Naprendszerünkben található jégóriások olyan kémiai elemeket is tartalmaznak, mint a metán és az ammónia. Az, hogy a szuperionos viselkedés milyen mértékben fordul elő a természetben, attól függ, hogy ezek a fázisok akkor is léteznek-e, amikor a vizet más anyagokkal keverjük. Ez egyelőre nem egyértelmű, bár más kutatók szerint szuperionos ammóniának is léteznie kell.

emTV.hu // Quanta magazin