Tieteilijät löysivät uuden kuusikulmaisen jään muodon yli kahden miljoonan ilmakehän paineessa

Kuva: Illustrative image · Ms2895 · CC BY-SA 4.0 · Lähde

Tutkijat ovat kokeellisesti havainneet kuusikulmaisen tiiviin pakkausmuodon (HCP) jäästä, joka hallitsee paineissa yli 200 gigapaskalia ja lämpötiloissa yli 1800 kelviniä, haastamalla aiemmat oletukset, että tällä alueella esiintyisi vain kuutioinen jää XVIII.

Kansainvälinen fyysikoiden ryhmä on ensimmäistä kertaa kokeellisesti tunnistanut kuusikulmaisen tiiviisti pakatun (HCP) jäävaiheen, joka muodostuu hallitsevaksi muodoksi paineissa, jotka ylittävät 200 gigapaskalia (noin 2 miljoonaa ilmakehää) ja lämpötiloissa yli 1800 kelviniä. Tätä löytöä ennen näissä äärimmäisissä olosuhteissa oli havaittu vain kuutioinen kasvojen keskuskerrospakkaus (FCC), joka tunnetaan nimellä jää XVIII.

Korkean paineen ja korkean lämpötilan ympäristön simuloimiseksi tutkijat käyttivät timanttipuristinta puristaakseen vesinäytteen erittäin pieneen tilavuuteen samalla lämmittäen sitä laserien avulla. Jään rakennetta analysoitiin synkrotronisen röntgendiffraktiotekniikan avulla. HCP-vaihe todettiin hallitsevaksi yli 200 GPa paineissa ja noin 2000 K lämpötiloissa. Välillä olevilla paineilla havaittiin HCP- ja FCC-kiteisten rakenteiden yhteisesiintyminen.

Vesi on ainutlaatuinen siinä, että se pystyy muodostamaan useita kiinteitä faaseja, jotka eroavat toisistaan atomien järjestäytymisen perusteella kiderakenteissa. HCP ja FCC -vaiheet ovat tiiviiden atomien pakkauksen muunnelmia, joille on tyypilliset erilaiset pinoutumisarvot — ABAB kuusikulmaiselle ja ABCABC kuutiomuodolle — ja ne poikkeavat tyypillisistä jääkristalleista. Tämä viittaa veden erilaisiin fyysisiin olomuotoihin näissä äärimmäisen suurissa paineissa ja lämpötiloissa.

HCP-jään paljastuminen on merkittävä löytö planeettatieteille, erityisesti tarkennettaessa jääkaasujättiläisten, kuten Uranuksen ja Neptunuksen, sisäosia koskevia malleja. Koska näiden planeettojen sisäkerroksia ei voida tutkia suoraan, tutkijat luottavat kokeellisiin tietoihin ja fysikaalisiin malleihin. Uusien tulosten perusteella happikerrokset voivat järjestäytyä kuusikulmaisiksi syvällä sisuksissa, mikä saattaa muuttaa mekaanisia ja sähköisiä ominaisuuksia verrattuna kuutioiseen jäähän.

Nämä rakenne-erot voivat vaikuttaa ymmärrykseen vaipan kerrostuneisuudesta ja planeettojen outoihin, epädipolisiin magneettikenttiin. Tutkijat korostavat, että nyt tarvitaan teoreettisia tutkimuksia HCP-jään plastisuudesta ja sähkönjohtavuudesta sekä lisää kokeellisia ponnistuksia HCP- ja FCC-jään stabiilisuusalueiden tarkkaan määrittämiseen näissä äärimmäisissä planeettaolosuhteissa.