Στη Γη έχουμε συνηθίσει να βλέπουμε το νερό ως ένα απλό, προβλέψιμο υλικό που συναντάμε σε υγρή μορφή, ως υδρατμό ή ως τον κλασικό πάγο της κατάψυξης. Σε ακραίους κόσμους όμως, όπως ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας, το πιο γνώριμο μόριο του πλανήτη μας μεταμορφώνεται σε κάτι σχεδόν αγνώριστο. Μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Communications Chemistry δείχνει για πρώτη φορά στο εργαστήριο ότι όταν ο πάγος δεχθεί ασύλληπτη πίεση, η ατομική του δομή «τσακίζει» και χάνει τη συμμετρία της, επιβεβαιώνοντας στην πράξη κάτι που μέχρι σήμερα υπήρχε μόνο στις προσομοιώσεις των υπολογιστών.
Μια σταγόνα νερού ανάμεσα σε δύο διαμάντια
Για να φτάσουν σε συνθήκες που δε συναντώνται πουθενά στη φύση πάνω στη Γη, οι ερευνητές με επικεφαλής τον φυσικό Ashkan Salamat από το Πανεπιστήμιο της Νεβάδα στο Λας Βέγκας (UNLV) χρησιμοποίησαν ένα ειδικό κελί άκμονα διαμαντιού. Στην πράξη, παγίδευσαν μια απειροελάχιστη σταγόνα νερού ανάμεσα στις μύτες δύο διαμαντιών και άρχισαν να αυξάνουν την πίεση, εκμεταλλευόμενοι την τεράστια σκληρότητα του υλικού, το οποίο σε κοσμική κλίμακα έχουμε δει ακόμα και σε εξωπλανήτες που αποτελούνται από διαμάντια.
Η πίεση μέσα στον μικροσκοπικό θάλαμο ξεπέρασε τα 222 γιγαπασκάλ (GPa), έφτασε δηλαδή τα 2,2 εκατομμύρια φορές την ατμοσφαιρική πίεση που νιώθουμε στην επιφάνεια της θάλασσας. Στη συνέχεια, η ομάδα «ακτινογράφησε» το δείγμα με περίθλαση ακτίνων Χ, παρακολουθώντας πώς σκεδάζονται οι ακτίνες καθώς περνούν μέσα από τον συμπιεσμένο πάγο ώστε να χαρτογραφήσουν τις ακριβείς θέσεις των ατόμων.
Εκεί ήρθε και η μεγάλη έκπληξη. Κανονικά, όταν συμπιέζουμε ένα στερεό υλικό, τα άτομά του στριμώχνονται σε ολοένα και πιο τακτοποιημένες, συμμετρικές διατάξεις. Εδώ όμως συνέβη το ακριβώς αντίθετο, καθώς το κρυσταλλικό πλέγμα του πάγου παραμορφώθηκε, αποκαλύπτοντας μια εντελώς νέα και πολύ πιο σύνθετη δομική κατάσταση.
Το μυστήριο του πάγου X και το νέο όριο σταθερότητας
Μέχρι σήμερα, οι φυσικοί έχουν εντοπίσει πάνω από 20 διαφορετικές κρυσταλλικές μορφές πάγου, καθεμία από τις οποίες σχηματίζεται σε συγκεκριμένους συνδυασμούς πίεσης και θερμοκρασίας. Ανάμεσά τους ξεχωρίζει ο λεγόμενος πάγος X (ice X), μια εξωτική μορφή που αρχίζει να παίρνει το τέλειο κυβικό της σχήμα γύρω στα 50 GPa. Σε αυτή την κατάσταση, τα άτομα του υδρογόνου κλειδώνουν ακριβώς στη μέση της απόστασης ανάμεσα σε δύο γειτονικά άτομα οξυγόνου.
Το πείραμα της ομάδας του UNLV έδειξε για πρώτη φορά πού βρίσκεται το ανώτατο όριο αντοχής αυτού του τέλειου κύβου. Μόλις η πίεση πέρασε τα 222 GPa και κινήθηκε προς τα 230 GPa, η κυβική συμμετρία του πάγου X κατέρρευσε, δίνοντας τη θέση της σε μια ασύμμετρη, «τεντωμένη» κρυσταλλική δομή που δε μοιάζει με τίποτα από όσα είχαν παρατηρηθεί εργαστηριακά στο παρελθόν.
Τι σημαίνει αυτό για τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα
Οι πιέσεις που πέτυχαν οι επιστήμονες στο Λας Βέγκας αντιστοιχούν σε εκείνες που επικρατούν βαθιά μέσα στους μανδύες του Ουρανού και του Ποσειδώνα. Στα σπλάχνα αυτών των παγωμένων γιγάντων κρύβονται τεράστιες ποσότητες νερού, αμμωνίας και μεθανίου.
Ο τρόπος με τον οποίο διατάσσονται τα άτομα του νερού σε τέτοια βάθη καθορίζει άμεσα την πυκνότητα του υλικού, το πώς μεταφέρεται η θερμότητα προς τα έξω, αλλά και την ηλεκτρική του αγωγιμότητα. Αυτές οι ιδιότητες, με τη σειρά τους, εξηγούν πώς εξελίσσεται το εσωτερικό των πλανητών και πώς γεννιούνται τα ασυνήθιστα μαγνητικά πεδία που περιβάλλουν τους πλανήτες του Ηλιακού Συστήματος. Παράλληλα, μια αλλαγή στην ατομική δομή του πάγου αλλάζει και τον τρόπο που το νερό αντιδρά χημικά με τα πετρώματα και τα μέταλλα στον πυρήνα ενός πλανήτη.
Ο αστερίσκος της θερμοκρασίας και οι εξωπλανήτες
Υπάρχει, βέβαια, μια σημαντική παράμετρος που οι ίδιοι οι ερευνητές σπεύδουν να επισημάνουν. Το πείραμα με τα διαμάντια πραγματοποιήθηκε σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ στο εσωτερικό του Ουρανού και του Ποσειδώνα οι θερμοκρασίες φτάνουν τις χιλιάδες βαθμούς. Σε τόσο ακραία ζέστη, το νερό μπορεί να περνάει στη λεγόμενη υπεριοντική φάση, όπου τα άτομα του οξυγόνου μένουν καρφωμένα σε ένα σταθερό πλέγμα και τα άτομα του υδρογόνου ρέουν ελεύθερα ανάμεσά τους σαν ηλεκτρισμένο υγρό.
Ακόμα κι έτσι, η ανακάλυψη δίνει στους πλανητικούς επιστήμονες ένα πολύτιμο κομμάτι του παζλ. Καθώς τα διαστημικά τηλεσκόπια εντοπίζουν ολοένα και περισσότερους υδάτινους εξωπλανήτες στον Γαλαξία μας, τέτοια πειράματα αποδεικνύουν ότι αν και ο χημικός τύπος του νερού παραμένει πάντα H2O, η συμπεριφορά του στο Σύμπαν είναι απείρως πιο παράξενη από αυτή που βλέπουμε στο ποτήρι μας.
