O echipă internațională de cercetători a descoperit că apa supusă unei supercompresii poate trece prin multiple faze metastabile de gheață chiar la temperatura camerei, o realizare care contrazice așteptările tradiționale potrivit cărora diversitatea fazelor de gheață apare doar la temperaturi scăzute. Studiul, bazat pe combinarea tehnologiilor avansate de celulă cu nicovală din diamant dinamică (dDAC) și laser cu electroni liberi X-ray (XFEL), a identificat cel puțin cinci căi diferite de tranziție de la apă supercomprimată la gheața VI, toate intermediare prin faze metastabile necunoscute anterior: gheața XXI cu structură tetragonală centrată pe corp și gheața VII metastabilă.
O privire în adâncul apei sub presiune extremă
Apa (H₂O), deși compusă din doar două elemente, formează o varietate impresionantă de faze cristaline și amorfe, de la gheața Ih până la gheața XX, fiecare cu rețele complexe de legături de hidrogen. La temperaturi scăzute, kinetica lentă și stabilitatea metastabilă permit descoperirea mai multor faze rare, dar la temperaturi ridicate sau ambientale, diversitatea era considerată limitată.
Rezultatele actuale demonstrează contrariul: apa supercomprimată evoluează de la o stare de densitate mare (HDW) la una de densitate foarte mare (VHDW), generând un peisaj complex de faze metastabile care controlează tranzițiile între stările de agregare. Acest proces explică apariția neașteptată a gheții XXI și VII în cadrul regimului de presiune considerat stabil pentru gheața VI.
Metode inovatoare pentru descoperiri inedite
Folosind dDAC și XFEL, cercetătorii au reușit să captureze tranzițiile extrem de rapide și efemere ale apei supuse presiunii. Aceste tehnologii permit observarea în timp real a cristalizării și topirii apei comprimate, dezvăluind faze care până acum rămâneau ascunse în spatele „fațadei” aparent stabile a gheții VI.
Simulările de dinamică moleculară (MD) au confirmat că evoluția structurală a apei supercomprimată este cheia formării acestor faze metastabile, oferind o explicație mecanic-moleculară pentru selecția fazelor și multiplele căi de congelare-topire.
Implicații majore pentru știință și explorarea spațială
Descoperirea multiplelor faze metastabile de gheață la temperatura camerei are implicații profunde:
- Fizica materiei sub presiune extremă: Înțelegerea acestor faze metastabile oferă perspective asupra comportamentului apei în condiții extreme, utile pentru geofizică și studiul planetelor.
- Explorarea spațială: Pe luni înghețate precum Europa sau Enceladus, unde apa este supusă presiunii și temperaturilor ridicate, aceste faze metastabile ar putea influența dinamica gheții și posibila chimie pentru viață.
- Materiale și chimie: Descoperirea unor faze metastabile la temperaturi ridicate ar putea inspira noi materiale cristaline cu proprietăți excepționale.
Un pas uriaș în înțelegerea apei
Această cercetare demonstrează că apa, chiar și la temperatura camerei, poate avea un comportament mult mai complex decât se credea. În loc să urmeze o singură cale simplă de cristalizare, moleculele H₂O explorează multiple trasee metastabile, generând noi structuri și faze care până acum erau considerate imposibil de obținut în condiții non-cryogenice.
Descoperirea multiplelor căi de tranziție și a fazelor metastabile la temperaturi ridicate deschide o nouă frontieră în fizica apei, oferind un teren fertil pentru viitoare cercetări care ar putea dezvălui și mai multe stări necunoscute ale celei mai comune și totodată mai enigmatice substanțe de pe Pământ.