Ce este gheața? Pur și simplu apă în stare solidă. Perfect. Dar, ca întotdeauna, lucrurile sunt puțin mai complexe decât par la prima vedere. Câte tipuri de gheață cunoașteți? Nu-mi spuneți că există din nou multe tipuri? Da, exact așa stau lucrurile. Lumea materialelor este minunată și surprinzătoare.
Gheața superionică – un fenomen extraordinar
În condiții de presiune extremă, apa poate forma diverse tipuri de gheață, cea mai cunoscută dintre acestea fiind gheața superionică. Aceasta a fost descoperită de oamenii de știință de la Universitatea din Chicago, Institutul Carnegie și Laboratorul Național Lawrence Livermore în anul 2018.
Gheața superionică reprezintă o nouă fază a materiei, care este parțial solidă, parțial lichidă și se formează la temperaturi și presiuni extrem de ridicate. Ea constă dintr-un fluid de ioni de hidrogen care trec printr-o rețea de oxigen.
Da, ați auzit bine. La temperaturi ÎNALTE. Pentru a crea gheață fierbinte, avem nevoie de ceva aparent simplu. Este necesară o presiune extremă care depășește limitele obișnuite.
Așa cum am explicat anterior într-un material despre stările de agregare, tipul efectiv de structură care se formează depinde de parametrii termodinamici – temperatură și presiune. În esență, pentru a face apa solidă, o putem „comprima foarte puternic”. Acest lucru va reduce distanțele dintre particule și nu le va permite să vibreze activ. La presiuni ridicate, materialul devine solid.
Dacă presiunea este extremă, chiar și apa clocotită poate fi transformată în gheață. Din nou, relația presiune-temperatură este crucială.
În mod corespunzător, putem forța și „materia din ioni” să devină gheață. Gheața superionică se formează la temperaturi extrem de ridicate, în jur de 5000 Kelvin (4700°C) și la o presiune de aproximativ 340 gigapascali, adică de peste 3,3 milioane de ori mai mare decât presiunea atmosferică standard a Pământului. Din acest motiv, existența gheții superonice stabile pe planeta noastră este imposibilă.
Cum se creează gheața superionică?
Oamenii de știință au creat gheață superionică expunând o picătură de apă la o undă de șoc de înaltă presiune generată de laser. Această tehnică permite comprimarea apei la presiuni extreme pentru perioade scurte de timp.
În 2019, echipa Laboratorului Național Lawrence Livermore a raportat în revista Nature că a reușit să producă o cantitate minusculă de gheață XVIII pentru o miliardiime de secundă. Studiile despre gheața superionică au fost publicate în revistele Nature Physics și Nature. Cercetătorii au găsit o metodă fiabilă de creare, menținere și studiere a gheții superonice.
Importanța gheții superonice pentru știință și tehnologie
Cercetările asupra acestei stări nu se realizează fără motiv. Gheața superionică este o componentă principală a mantalei planetelor Uranus și Neptun. Studierea proprietăților sale ajută la crearea unor modele mai precise ale structurii interne ale acestor planete, inclusiv a câmpurilor lor magnetice.
Din punct de vedere teoretic, gheața superionică ar putea avea proprietăți de superconductor în anumite condiții. Crearea unui superconductor stabil la temperatura camerei reprezintă unul dintre principalele obiective ale științei moderne. Aplicațiile practice în acest domeniu sunt numeroase și diverse.
Principala problemă constă în crearea și menținerea condițiilor necesare pentru existența gheții superonice în condiții de laborator. Pentru aceasta, sunt necesare presiuni și temperaturi foarte ridicate, care sunt dificil de atins și de menținut. Cu toate acestea, datorită dezvoltării metodelor experimentale și modelării computerizate, oamenii de știință fac progrese treptate în studierea acestei substanțe exotice.
Aplicații potențiale ale gheții superonice
În viitor, gheața superionică ar putea deveni cheia unor noi tehnologii și a unei înțelegeri mai profunde a Universului. Aceasta ar putea contribui la crearea unor baterii mai eficiente, superconductori și materiale cu proprietăți unice. Mai mult, studierea gheții superonice ne va permite să înțelegem mai bine structura internă a planetelor gigant și evoluția Sistemului Solar.
Dar ce face această gheață atât de specială? Spre deosebire de gheața obișnuită pe care o întâlnim în viața de zi cu zi, gheața superionică are o conductivitate electrică extraordinară. Aceasta se datorează faptului că, în timp ce atomii de oxigen rămân fixați într-o rețea cristalină solidă, protonii (nuclee de hidrogen) se mișcă liber prin această rețea, comportându-se ca un lichid. Acest comportament hibrid solid-lichid face ca gheața superionică să fie un conductor ionic excelent.
Structura unică a gheții superonice îi conferă proprietăți care ar putea revoluționa mai multe domenii tehnologice. În domeniul stocării energiei, de exemplu, înțelegerea mecanismelor de transport ionic din gheața superionică ar putea duce la dezvoltarea unor baterii cu performanțe mult superioare celor actuale. Conductivitatea sa ionică excepțională ar putea permite încărcarea și descărcarea mult mai rapidă, precum și o densitate energetică mai mare.
Provocări în studierea gheții superonice
Deși potențialul gheții superonice este imens, cercetarea acesteia prezintă numeroase provocări. Condițiile extreme necesare pentru formarea și menținerea sa – temperaturi de mii de grade Celsius și presiuni de milioane de atmosfere – sunt extrem de dificil de reprodus și susținut în laborator. Până în prezent, cercetătorii au reușit să creeze gheață superionică doar pentru perioade extrem de scurte de timp, ceea ce limitează capacitatea de a studia în detaliu proprietățile sale.
Echipamentele necesare pentru aceste experimente sunt extrem de costisitoare și specializate. Majoritatea cercetărilor utilizează lasere de mare putere pentru a genera undele de șoc necesare comprimării apei la presiunile cerute. De asemenea, instrumentele de măsurare trebuie să fie capabile să înregistreze fenomene care au loc în intervale de timp incredibil de scurte, de ordinul nanosecundelor sau mai puțin.
O altă dificultate majoră constă în caracterizarea precisă a structurii și proprietăților gheții superonice în timp ce aceasta există. Tehnicile convenționale de analiză structurală, cum ar fi difracția cu raze X, trebuie adaptate pentru a funcționa în aceste condiții extreme și pe durate foarte scurte.
Gheața superionică în contextul astrofizic
Unul dintre cele mai interesante aspecte ale gheții superonice este relevanța sa pentru înțelegerea planetelor gigante de gheață din sistemul nostru solar și dincolo de acesta. Modelele actuale sugerează că în interiorul planetelor Uranus și Neptun există straturi masive de gheață superionică, care joacă un rol crucial în generarea câmpurilor magnetice neobișnuite ale acestor planete.
Câmpurile magnetice ale lui Uranus și Neptun sunt cunoscute pentru configurațiile lor asimetrice și complexe, care diferă semnificativ de câmpurile dipolare mai simple ale Pământului sau Jupiter. Se crede că aceste particularități sunt rezultatul direct al prezenței și comportamentului gheții superonice în interiorul acestor planete.
Înțelegerea gheții superonice este, de asemenea, esențială pentru modelarea exoplanetelor similare din alte sisteme solare. Astronomii au descoperit numeroase planete de mărime asemănătoare cu Uranus și Neptun în jurul altor stele, iar cunoașterea comportamentului materiei în condiții extreme ne ajută să interpretăm observațiile telescopice și să construim modele mai precise ale acestor lumi îndepărtate.
Dacă ați fost fascinați de descoperirea gheții superonice, vă invităm să împărtășiți acest articol cu prietenii pasionați de știință și să continuați explorarea minunilor fizicii moderne și a stărilor neobișnuite ale materiei.
Sursa imaginii: Unsplash
Etichete: gheață superionică, stări ale apei, presiune extremă, fizică, planete gigante, superconductori, cercetare științifică
Gheața superionică, o formă exotică de materie parțial solidă și parțial lichidă, se formează la temperaturi și presiuni extreme și reprezintă o componentă majoră a planetelor Uranus și Neptun.
