Erin Vudvord, SLAC Milli Akselerator Laboratoriyası tərəfindən

Stephanie Baum tərəfindən redaktə edilib , Robert Egan tərəfindən nəzərdən keçirilib

 Redaktorların qeydləri

 GIST

Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin

Tədqiqatçılar Neptun və Uran kimi nəhəng buz planetlərinin mərkəzində mövcud olduğuna inanılan isti, qara və qəribə keçirici buz forması olan superion suyun atom yığma strukturlarını öyrənmək üçün ultrasürətli rentgen şüalarını ixtisaslaşmış cihazlarla birləşdirdilər. Mənbə: Greg Stewart/SLAC Milli Sürətləndirici Laboratoriyası

Uzaq planetlərin mərkəzində mövcud olan isti, qara və qəribə keçirici buz forması olan Superion suyu 1980-ci illərdə proqnozlaşdırılmış və ilk dəfə 2018-ci ildə laboratoriyada yenidən yaradılmışdır. Hər dəfə daha yaxından baxıldıqca, o, tədqiqatçıları təəccübləndirməyə davam edir.

Nature Communications jurnalında dərc olunmuş bu yaxınlarda aparılan bir araşdırmada , Enerji Departamentinin SLAC Milli Sürətləndirici Laboratoriyasının tədqiqatçılarından ibarət bir qrup təəccüblü bir kəşf etdi: Superionik suda eyni şərtlər altında birdən çox atom qablaşdırma strukturu birlikdə mövcud ola bilər.

Superion su nədir?

1980-ci illərin sonlarında Voyager 2 kosmik gəmisi Neptun və Uranın yanından uçarkən, alimlər müşahidə etdikləri şeylərdən çaşqınlıq içində idilər. Yer kürəsində və Günəş sistemimizdəki digər planetlərdə mövcud olan səliqəli, fırlanma istiqamətində düzülmüş, dipolyar maqnit sahələrindən fərqli olaraq, bu buz nəhənglərinin planetlərin fırlanma oxları ilə səliqəli şəkildə düzülməyən çoxsaylı qütbləri olan daha mürəkkəb, qabarıq maqnit sahələri var idi.

Alimlər bu maqnit xaosunun izahının bu uzaq planetlərin mərkəzinə yaxın olduğuna inanırlar. Yer kürəsinin xarici nüvəsində ərimiş dəmirin çalxalandığı yerdə, Neptun və Uranda isə yalnız nəhəng buz planetlərinin dərinliklərində olan həddindən artıq temperatur və təzyiq altında mövcud olan buz forması olan superion su var.

Suyun bu ekzotik vəziyyətində oksigen atomları sərt kristal qəfəsdə yığılır, hidrogen ionları isə qəfəs strukturundan sərbəst şəkildə axır və elektrik enerjisi keçirir – tipik hidrogen ionlarından daha çox elektron kimi davranırlar. Bu qəribə keçiricilik planetlərin özünəməxsus maqnit sahələrinin səbəbi ola bilər və illərdir tədqiqatçılar onun qeyri-adi quruluşunu və davranışını daha yaxşı başa düşməyə çalışırlar.Faza diaqramları maddələrin müxtəlif vəziyyətlər arasında keçid etdiyi temperatur və təzyiqləri göstərir. Bu sadələşdirilmiş faza diaqramı su molekullarının bərk, maye və qaz fazaları arasında çevrilmə şərtlərini təsvir edir. Burada “atm” dəniz səviyyəsində orta hava təzyiqini təmsil edən atmosfer vahidini ifadə edir. Mənbə: Greg Stewart/SLAC Milli Sürətləndirici Laboratoriyası

Suyun fazalarının xəritələşdirilməsi

Bu tədqiqat qrupu superion suyun faza diaqramını araşdırmaq niyyətində idi. Faza diaqramları maddələrin müxtəlif vəziyyətlər arasında keçid etdiyi temperaturları və təzyiqləri göstərir. Məsələn, dəniz səviyyəsində su 100 dərəcə Selsidə qaynayır, lakin təzyiqi tənzimlədikdə qaynama nöqtəsi müvafiq olaraq dəyişir. Suyun faza diaqramı bütün bu dəyişənləri sadə bir cədvəldə təsvir edir.

Bu tədqiqat qrupu bərk-maye-qaz keçidlərini xəritələşdirmək əvəzinə, superion suyun daxilindəki müxtəlif kristal strukturlar arasındakı sərhədləri, xüsusən də oksigen atomlarının müxtəlif naxışlarda necə yerləşdiyini müəyyən etmək istəyirdi.

Hər hansı bir faza keçidində olduğu kimi, molekullar şərtlər dəyişdikcə özlərini ən termodinamik cəhətdən səmərəli konfiqurasiyaya çevirirlər. Bu təcrübə, superion suyun hansı şəraitdə özünü bədən mərkəzli kub (BCC) qablaşdırma strukturundan (oksigen molekullarının 68% səmərəliliklə dolu olduğu) hər birinin səmərəliliyi 74% olan üz mərkəzli kub (FCC) və ya altıbucaqlı yaxın qablaşdırma (HCP) kimi daha sıx doldurulmuş strukturlara çevirəcəyini müəyyən etməyə ümid edirdi.

“Superion suyun unikal quruluşu, ehtimal ki, onun keçirici xüsusiyyətlərinə səbəb olur ki, bu da öz növbəsində planetar miqyasda maqnit sahələrinə təsir göstərir, buna görə də atom miqyasında bu qablaşdırma strukturlarını anlamaq və ölçmək bu dinamikanı anlamaq üçün açardır”, – deyə SLAC-ın baş elmi işçisi, SLAC-ın Yüksək Enerji Sıxlığı Elmi bölməsinin direktor müavini və tədqiqatın müəllifi Arianna Gleason bildirib.

Onlarla rəqabət aparan nəzəri model və əvvəlki təcrübələrdən bəzi ziddiyyətli nəticələrlə komanda, eksperimental texnologiyalardakı son irəliləyişlərin bu qablaşdırma strukturları arasında dəqiq sərhədlər çəkməyə imkan verəcəyinə ümid edirdi.

Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .

Nəhəng buz planetlərinin şərtlərinin təkrarlanması

Əvvəlcə komanda laboratoriyada superionik su yaratmağa və öyrənməyə imkan verən bir təcrübə hazırlamalı idi.

SLAC-ın əməkdaşı və tədqiqatın müəllifi Nik Hartli bildirib ki, “Bu tədqiqatları aparmaq olduqca çətindir. Suyu bu həddindən artıq təzyiq və temperaturlara çatdırmaqla yanaşı, bunu vakuumda da etməlisiniz və hər şey dağılmağa başlamazdan əvvəl ölçmələri inanılmaz dərəcədə tez aparmalısınız.”

Tədqiqatçılar SLAC-da Ekstremal Şərtlərdə Maddə (MEC) cihazını rentgen sərbəst elektron lazeri (XFEL) olan Linac Koherent İşıq Mənbəyindən ultrasürətli rentgen şüaları ilə birləşdirərək istifadə etdilər. Daha sonra onlar təcrübəni Yüksək Enerji Sıxlığı elmi cihazından istifadə edərək Avropa XFEL-də təkrarladılar.

Hər bir təcrübədə su nümunələrində əks-səda verən və getdikcə daha yüksək təzyiqlər yaradan lazerlə idarə olunan zərbələrdən istifadə edilmişdir, bu zaman bu planetlərin içərisində olan temperatur şəraitini yaratmaq üçün güclü lazerlərdən istifadə edilmişdir; bu yanaşma tədqiqatçılara buz nəhəng planetlərin dərinliklərində olan şəraiti təkrarlamağa imkan vermişdir. Rentgen difraksiyasından istifadə edərək, komanda materialın kristal qablaşdırma strukturlarını temperatur, təzyiq və zaman diapazonlarında izləmişdir.

Fransa Milli Elmi Tədqiqatlar Mərkəzinin İntensiv Lazerlərdən İstifadə Laboratoriyasının baş tədqiqatçısı və tədqiqatın müəllifi Alessandra Ravasio bildirib ki, “Superionik şərtlərə nail olmaq və yüksək qətnaməli difraksiya məlumatlarını toplamaq bu təcrübənin açarı idi. Birlikdə onlar bizə zəngin və mürəkkəb davranışın mənşəyindəki incə detalları həll etməyə imkan verdilər.”

Xətləri bulanıqlaşdırmaq

Məlumatlar çatdıqda, tədqiqatçılar vahid şərtlər altında eyni vaxtda mövcud olan müxtəlif qablaşdırma strukturlarının aydın imzalarını görüb təəccübləndilər. Müəyyən şərtlər altında onlar tez-tez BCC və FCC strukturlarının birgə mövcudluğunu müşahidə etdilər. Digər şərtlər altında isə onlar FCC və HCP strukturlarının daha qəribə çoxsaylı qablaşdırılmasını müşahidə etdilər. Demək olar ki, bütün digər məlum materiallarda müşahidə edilən aydın faza keçidlərindən fərqli olaraq, superion suyun birləşmə boyunca eyni anda qablaşdırma strukturlarının qarışığını nümayiş etdirdiyi görünürdü.

Hartli dedi: “Biz təbiətin başqa yerlərində gördüyümüz aydın və aydın xətlər axtarırdıq. Bunun əvəzinə, bir-birinin üstünə yığılmış çoxsaylı qablaşdırma strukturları olan bulanıq sərhədləri tapdıq.”

Rostok Universitetinin professoru və Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf qrupunun rəhbəri və tədqiqatın müəllifi Dominik Kraus bildirib ki, “LCLS-də ilk təcrübədən sonra nəticələr bizi o qədər çaşdırdı ki, potensial səhv mənbələrini istisna etmək üçün tədqiqatı başqa bir XFEL-də təkrarladıq. Və həqiqətən də, Avropa XFEL-də aparılan sonrakı təcrübələr eyni nəticələr göstərdi.”

Superion suyun niyə bu qəribə xüsusiyyəti nümayiş etdirdiyi bəlli deyil, lakin sərt oksigen qəfəsi və sərbəst axan hidrogen atomları materiala keçiricilik xüsusiyyəti verdiyi üçün bu qablaşdırma strukturlarının detalları planetar və hətta kosmik miqyasda dərin təsirlərə malikdir.

Hartli izah etdi ki, “Buz nəhəngləri Günəş sistemimizdəki planetlərin azlığını – səkkiz planetdən yalnız ikisini təşkil etsə də, onlar müşahidə edilə bilən kainatımızdakı planetlərin əhəmiyyətli bir hissəsini təmsil edirlər. Onların maqnit sahələri – planetin quruluşunun kiçik detallarından yaranır – bizə onların əmələ gəlməsi və təkamülü, eləcə də kainatımızın təkamülü haqqında çox şey deyə bilər.”

Komanda fenomeni daha yaxşı başa düşmək üçün bu tapıntıları kompüter simulyasiyalarına daxil edəcək. Gələcəkdə tədqiqatçılar superion suyun qablaşdırma strukturlarının elektrik keçiriciliyini daha birbaşa araşdırmaq və planetlərin içərisində mövcud ola biləcək digər birləşmələrlə qarışdırılmış su kimi müxtəlif kimyəvi tərkiblərin materialın davranışına necə təsir edə biləcəyini araşdırmaq istəyirlər.

Daha çox məlumat: L. Andriambariarijaona və digərləri, Superionik suda qarışıq sıx yığılmış strukturun müşahidəsi, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-67063-2

Jurnal məlumatları: Nature Communications 

SLAC Milli Akselerator Laboratoriyası tərəfindən təmin edilir