«Τετράγωνος πάγος» δημιουργήθηκε σε θερμοκρασία δωματίου

Ένας από τους δύο φυσικούς που βραβεύτηκαν με Νόμπελ για την ανακάλυψη του γραφενίου το 2014 καμαρώνει τώρα για μια νέα επιτυχία: χρησιμοποιώντας αυτή τη θαυματουργή μορφή άνθρακα, κατάφερε να δημιουργήσει μια νέα μορφή πάγου, και μάλιστα σε θερμοκρασία δωματίου.
Ο λεγόμενος «τετράγωνος» πάγος, στον οποίο τα μόρια νερού διατάσσονται σε σχήμα κύβου, είναι εντελώς διαφορετικός από τον πάγο που γνωρίζουμε, γνωστό ως πάγο I_h, που αποτελείται από μόρια νερού συνδεδεμένα σε εξάγωνα.

Σχεδόν όλος ο πάγος που υπάρχει στη Γη είναι πάγος I_h. Μέχρι σήμερα, όμως, οι φυσικοί έχουν ανακαλύψει ή δημιουργήσει ακόμα 16 μορφές πάγου, οι οποίες σχηματίζονται σε διαφορετικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας.

Για παράδειγμα ο πάγος I_c, υπάρχει έχει εντοπιστεί σε παγοκρυστάλλους ψηλά στην ατμόσφαιρα, ενώ μια τρίτη μορφή, ο πάγος ΧΙ, έχει βρεθεί σε αρχαίους πάγους της Ανταρκτικής.

Μια ακόμα μορφή πάγου, η οποία έχει μικρότερη πυκνότητα από όλες τις υπόλοιπες μορφές, δημιουργήθηκε στο εργαστήριο το 2014 και βαφτίστηκε πάγος XVI.

Ο νέος, τετράγωνος πάγος θα μπορούσε να αναγνωριστεί σύντομα ως η 18η γνωστή στερεά φάση του νερού. Δημιουργήθηκε από τον Αντρέ Γκέιμ, βρετανό φυσικό ρωσικής καταγωγής, ο οποίος βραβεύτηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 2010 μαζί με τον συνάδελφό του Κονσταντίν Νοβοσέλοφ.
Οι δύο ερευνητές τιμήθηκαν για την ανακάλυψη του γραφενίου, μιας εξωτικής και άκρως υποσχόμενης μορφής άνθρακα, αποτελούμενης από άτομα άνθρακα που διατάσσονται όλα στο ίδιο επίπεδο.

Σε προηγούμενες μελέτες του, ο Γκέιμ είχε παρατηρήσει ότι το νερό μπορεί να περνάει ανεμπόδιστα μέσα από φύλλα γραφενίου, κάτι που δεν μπορούν να κάνουν άλλα μόρια, ακόμα και τα πολύ μικρότερα μόρια ήλιου. Η νέα μελέτη της ομάδας του εξηγεί το γιατί.

Ο Γκέιμ και οι συνεργάτες του τοποθέτησαν μια μικρή σταγόνα νερού πάνω σε ένα φύλλο γραφενίου, το οποίο κάλυψαν στη συνέχεια με ένα δεύτερο φύλλο του ίδιου υλικού.

Καθώς το νερό σταδιακά εξατμιζόταν, τα δύο φύλλα πλησίαζαν όλο και περισσότερο μεταξύ τους, μέχρι που έφτασαν σε απόσταση μόλις ενός νανομέτρου. Στην απόσταση αυτή, τα άτομα άνθρακα του γραφένιου διαταράσσουν τα ηλεκτρόνια των γειτονικών ατόμων με αποτέλεσμα να έλκονται μεταξύ τους.

Λόγω αυτής της έλξης, τα δύο φύλλα γραφενίου ασκούσαν στο νερό που υπήρχε ανάμεσά τους ακραία πίεση της τάξης των 10.000 ατμοσφαιρών.

Η πίεση ουσιαστικά ισοπέδωσε τα μόρια νερού και τα ανάγκασε να πάρουν τετραγωνική διάταξη ακόμα και σε θερμοκρασία δωματίου. Σε κάθε στρώμα του τετράγωνου πάγου, όλα τα άτομα διατάσσονται στο ίδιο επίπεδο και οι δεσμοί οξυγόνου-υδρογόνου σχηματίζουν ευθείες γωνίες. Ο πάγος που δημιούργησαν οι ερευνητές περιείχε δύο με τρία τέτοια στρώματα, με τα άτομα οξυγόνου των διαδοχικών στρωμάτων να κάθονται το ένα ακριβώς πάνω από το άλλο, σχηματίζοντας έτσι κύβους.

Ο λόγος που το νερό περνάει τόσο εύκολα μέσα από το γραφένιο είναι ότι ένα ελαφρύ σπρώξιμο στη μία άκρη του στρώματος πάγου αρκεί για να μετακινηθεί ολόκληρο το στρώμα σχεδόν χωρίς καθόλου τριβές.

Τα ευρήματα της μελέτης, λένε οι ερευνητές, είναι χρήσιμα για την κατανόηση της ροής του νερού σε πολύ στενούς χώρους, για παράδειγμα μέσα σε νανοσηλώνες άνθρακα ή διαμέσου των κυτταρικών μεμβρανών.

Θεωρητικά, μάλιστα, η δημιουργία τετράγωνου πάγου σε μεγάλες ποσότητες θα έδινε τετράγωνες χιονονιφάδες, αντί τις εξαγωνικές χιονονιφάδες που γνωρίζουμε στην καθημερινή ζωή.

Το παρακάτω βίντεο δείχνει τον τετράγωνο πάγο στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο :

Το "υπερψυχρό" νερό δεν παγώνει στους μηδέν βαθμούς

Κάτω από ειδικές συνθήκες, το νερό δεν παγώνει στους μηδέν βαθμούς Κελσίου, γνωρίζουν εδώ και καιρό οι επιστήμονες. Τώρα, μοριακές προσομοιώσεις στον υπολογιστή αποκαλύπτουν για πρώτη φορά την απόλυτη θερμοκρασία στην οποία το νερό υποχρεωτικά γίνεται πάγος : - 48 βαθμοί Κελσίου.

H θερμοκρασία πήξης του νερού γενικά εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως η καθαρότητά του και η ατμοσφαιρική πίεση.

Σε αντίθεση με τα περισσότερα άλλα υγρά, τα οποία παγώνουν πιο εύκολα σε υψηλή πίεση, το νερό παγώνει σε θερμοκρασία λίγο χαμηλότερη από τους μηδέν βαθμούς Κελσίου όταν εκτεθεί σε πίεση πάνω από μία ατμόσφαιρα.

Η θερμοκρασία πήξης μπορεί όμως να κατέβει και πολύ χαμηλότερα αν το νερό είναι απόλυτα καθαρό.

Ο λόγος είναι ότι ο σχηματισμός πάγου ξεκινά από σωματίδια σκόνης ή άλλων προσμείξεων, τα οποία λειτουργούν ως "πυρήνας" πάνω στον οποίο εμφανίζονται οι πρώτοι παγοκρύσταλλοι.

Έτσι, το απόλυτα καθαρό νερό μπορεί να παραμείνει σε μια υγρή "υπερψυχρή" (supercooled) κατάσταση πολύ κάτω από το μηδέν.

Μέχρι σήμερα, η χαμηλότερη θερμοκρασία που είχε μετρηθεί σε αυτό το υπερψυχρό υγρό νερό ήταν  - 41 βαθμοί Κελσίου. Οι φυσικοί, ωστόσο, υποψιάζονταν ότι το νερό μπορεί να παραμείνει στην υγρή φάση σε ακόμα χαμηλότερες θερμοκρασίες.
Αυτό όμως είναι δύσκολο να επιβεβαιωθεί πειραματικά λόγω των ασυνήθιστων θερμοδυναμικών ιδιοτήτων του νερού. Επιπλέον, σε τόσο χαμηλές θερμοκρασίες το νερό μετατρέπεται σε πάγο τόσο γρήγορα ώστε είναι δύσκολο να καταγραφεί με ακρίβεια η στιγμή της μετάβασης.

Η Βαλέρια Μολινέρο και η Έμιλι Μουρ, και οι δύο χημικοί στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα, προσομοίωσαν τη συμπεριφορά 32.768 μορίων νερού, λαμβάνοντας υπόψη τη θερμοκρασία, τη θερμοχωρητικότητα του νερού, την πυκνότητα και το περιθώριο συμπίεσής του.

Χρειάστηκαν χιλιάδες ώρες υπολογισμών μέχρι η προσομοίωση να δώσει την τελική απάντηση: η θερμοκρασία στην οποία το νερό δεν μπορεί σε καμία περίπτωση να παραμείνει στην υγρή φάση είναι  - 48 βαθμοί.

Όταν το νερό φτάνει αυτή τη θερμοκρασία, η πυκνότητά του μειώνεται, η δομή του αλλάζει και η συμπίεσή του είναι πιο εύκολη. Ως αποτέλεσμα, κάθε μόριο νερού σχηματίζει ασθενείς δεσμούς με τέσσερα άλλα μόρια και δημιουργεί έτσι ένα τετράεδρο.

Σύμφωνα με τους ερευνητές, στη θερμοκρασία των  - 48 βαθμών το απόλυτα καθαρό νερό υπάρχει ως "ενδιάμεσος πάγος" – μια κατάσταση ανάμεσα στο υγρό και το στερεό.
Πέρα όμως του ότι ικανοποιεί επιτέλους την επιστημονική περιέργεια, τα αποτελέσματα της μελέτης θα μπορούσαν να έχουν σημαντικές εφαρμογές.

Ο σχηματισμός παγοκρυστάλλων στην ατμόσφαιρα ενδιαφέρει για παράδειγμα τους επιστήμονες που μελετούν την κλιματική αλλαγή: υγρό νερό σε θερμοκρασίες μέχρι και   - 40 βαθμούς Κελσίου έχει βρεθεί στα σύννεφα.

Όπως σχολιάζει στο Γαλλικό Πρακτορείο η Δρ Μολινέρο, η απόλυτη θερμοκρασία που έδωσε η μελέτη είναι απαραίτητη "προκειμένου να προβλεφθεί πόσο από το νερό στην ατμόσφαιρα βρίσκεται σε υγρή μορφή και πόσο σε στερεή. Αυτό είναι σημαντικό για τις προβλέψεις της κλιματικής αλλαγής".

Πηγή : περιοδικό Nature