În mod ciudat, partea solidă a planetei este probabil făcută din gheață - forma cristalină a apei, sau H2O, la fel cum avem pe Pământ. Dar cineva care bea o băutură gheață într-o după-amiază de vară fierbinte știe cât de repede se poate topi gheața. Cum se face această gheață atât de fierbinte, dar rămâne gheața solidă de iglu și cocktailuri?
Adevărul se află în lumea ciudată, aproape de necrezut de chimie și fizică: există mai mult de un fel de gheață, făcută din același tip de apă pe care o bei în fiecare zi. De fapt, există cel puțin 17 faze de gheață pe care oamenii de știință le-au descoperit până acum, făcând gheața un material mult mai complicat decât credea anterior.
Oamenii de stiinta au recreat conditiile pentru a face aceste tipuri neobisnuite de gheata in laboratoarele lor, incluzand gheata X si XVI - gheata de inalta presiune pe care oamenii de stiinta cred ca exista in climatul arzator al Gliese 436 b.
Impresia unui artist despre Gileza 436b cu un nor de tip "cometa" de hidrogen. De asemenea, este descris steaua părintească, care este un pitic roșu slab numit Gliese 436. Hidrogenul se evaporă de pe planetă datorită radiației extreme de la stea. (Foto: ESA / Hubble / Domeniul public)
Se pare că apa, esențială a proceselor noastre biologice și forța din spatele vieții în sine - nu este lichidul tău tipic, având zeci de anomalii. "Este neobișnuit să avem atât de multe faze", spune profesorul emerit Martin Chaplin, la London South Bank University. Chaplin studiază sistemele apoase și este autorul celui mai cuprinzător site web pentru gheață și apă până în prezent.
Anomaliile ciudate ale apei încep cu structura sa de bază: atunci când moleculele de apă se conectează, o fac cu o moleculă de hidrogen. Această legătură este atât de puternică încât apa are nevoie de temperaturi mai ridicate pentru fierbere și topire decât se așteaptă de obicei din lichide și mult mai mare decât oxigenul sau hidrogenul în monoterapie. Deoarece aceste legături se pot întinde, distanța dintre hidrogen și oxigen devine mai mică atunci când temperatura crește, iar distanța crește atunci când crește presiunea.
Un fulg de zăvoare văzut printr-un microscop, format din Ice Ih. (Foto: Michael / WikiCommons CC BY-SA 2.0)
"Aceasta este o consecință a legăturii de hidrogen și a densității relativ scăzute la presiuni scăzute, permițând mult mai multe structuri dense să fie posibile", spune Chaplin. Structura cristalină a gheții Ih, gheața normală "hexagonală" în care intrăm în contact cu congelatoarele și fulgii de zăpadă, este, de asemenea, determinată de această legătură și în atmosfera noastră formează o latură uniformă, deschisă, de cristale hexagonale.
Deci, când planeta Gliese 436 b este supusă unei presiuni foarte mari, gheața absoarbe în jos, moleculele sale se întind și se compactează în forme noi, iar structura ei cristalină este total schimbată. Dacă gheața X, de exemplu, există pe această planetă fierbinte, după cum cred oamenii de știință, ea rămâne solidă prin comprimarea veșnică într-o latură îngustă, cu sârmă-gard. Similar cu modul în care apa se fierbe la o temperatură mai scăzută în munți decât la nivelul mării, la o temperatură ridicată în condiții de presiune extremă, gheața X va avea nevoie de o temperatură mult mai ridicată pentru a se topi decât atunci când în atmosfera mai ușoară a Pământului.
Structura de interior a lui Gliese 436b. (Foto: Dr. Jason Wright / WikiCommons)
Și asta e doar o fază de gheață ciudată, toate unice. Potrivit site-ului lui Chaplin, modelul dezordonat al gheții VII se găsește probabil pe "planete uriașe și la soarele înghețat", moleculele de gheață VI sunt aliniate în grilaje triunghiulare înguste, iar gheața V are o structură moleculară care arată ca o sculptură de jucărie K'NEX plecată gresit. Gheața III are o structură cristalică și ludică, cu molecule care par aproape de dans, în timp ce gheața XVI seamănă cu o fagure de miere și poate deține și stochează gaze diferite. Gheața cubică, denumită gheață Ic, se formează probabil în norii cei mai înalți și mai reci din atmosfera Pământului, iar modelul său 3D arată ca niște diamante tăiate și de masă.
Refacerea acestor efecte în laborator, după cum vă puteți imagina, este destul de implicată. Înainte de a începe orice, oamenii de știință de gheață au nevoie de condiții pe care Chaplin le spune că sunt provocatoare pentru a crea. "Este dificil de a produce apă cu adevărat pură", spune Chaplin, și este greu să te uiți la moleculele însele. "La temperaturi scăzute, schimbările în structură pot fi foarte lente."
Pentru a studia aceste faze, oamenii de știință sfărâmă mai puțin de un gram de gheață într-o pulbere fină și supercoolă-l folosind azot lichid. După ce au fost încărcate într-o presă specializată, realizată din materiale nereactive, cum ar fi oțelul tungsten sau diamante, se încălzește încet gheața, gradul după gradul de apreciere, volumul gheții se va schimba, detectat de senzori. În acest spațiu închis, poziția moleculelor de apă se schimbă în funcție de temperatura și presiunea exercitate asupra gheții. Oamenii de știință se uită la moleculele care utilizează raze X sau la un proces numit cristalografie cu neutroni, care utilizează un mic fascicul de neutroni pentru a forma un model detectabil pe măsură ce se împrăștie în jurul moleculelor de gheață, dând o imagine tridimensională a moleculei.
Structura gheții XVI. (Foto: Andrzej Falenty / WikiCommons CC BY 4.0)
Reînlocuirea acestor gheață în laborator este curată, dar este de asemenea utilă extinderea cunoștințelor noastre despre universul natural. "Probabil că acolo există anumite planete și luni la presiuni mari și este important să știm care sunt proprietățile lor ... să înțeleagă comportamentul acestor planete și luni", spune Chaplin. "Unele înghețuri se pot forma în procesarea înaltă a materialelor și alimentelor de pe Pământ".
Soluțiile de înaltă presiune pot ajuta, de asemenea, oamenii de știință să examineze celulele biologice; înghețarea la presiune ridicată ar putea împiedica gheața să își mărească volumul și să perturbe materialul în timpul înghețării, menținând intacte celulele delicate organice. Unii au sugerat că gheața XVI ar putea fi utilizată pentru a elimina gazul metan, care produce căldură, de sub podeaua mării adânci și îl va înlocui cu CO2 mai puțin dăunător.
După ce a studiat extensiv structurile de gheață, Chaplin a prezis de fapt o nouă fază de gheață cu șapte ani înainte de a fi descoperită în 2007, numită stivuirea gheții dezordonate. "Într-o seară când mersam, în mijlocul nopții mi-am dat seama că această structură mixtă de gheață cubică și hexagonală ar putea fi pliată în structuri sferice (de fapt icosaedere) care ar putea explica multe dintre proprietățile inexplicabile până atunci ale lichidului apa ", spune Chaplin, care nu a putut dormi timp de trei zile in timp ce prezice noua faza de gheata. Această gheață formează forme netede, tetraedrice și se găsește în nori cirrusi înalți și contralije ale avioanelor.
O diagramă a structurii Ice Ice XVI. (Foto: Courtesy Martin Chaplain)
O fază mai grea a gheții a fost prezisă, senzațional, în ficțiunea anilor '60. A scris Kurt Vonnegut în cartea sa Crăciunul lui Cat despre gheață nouă, o substanță dezastruoasă capabilă să întoarcă permanent gheața întregului aprovizionare cu apă a Pământului. "Îmi place gheața lui Vonnegut nouă", spune Chaplin, deși pe site-ul său, el asigură că această versiune fictivă "din fericire nu are nici o bază științifică". (Gheața adevărată IX este doar o versiune mai densă a gheții III și nu poate exista într-adevăr alături de apă lichidă sau să provoace o apocalipsă înghețată).
Oamenii de știință descoperă încă noi tipuri de gheață cu o anumită regularitate, cu mult mai multe șanse de a veni. În februarie 2016, profesorul de chimie Xiao Cheng Zeng a propus ca o nouă gheață cu densitate scăzută VIII să existe (deși nu a fost încă făcută), care ar putea fi gheața cu cea mai mică densitate. În timp ce Chaplin spune că nu avem capabilitățile de a găsi unele dintre cele mai ridicate acizi cu presiune ridicată, oamenii de știință continuă să-i caute.
Data viitoare când îți faci băutura preferată de gheață numai pentru a privi cu disperare, după ce se topește câteva minute mai târziu, ține minte că undeva în univers acea gheață ar găsi o cale să rămâi rece sub presiune.
Actualizați 3/1: Ne-am referit inițial la gheață nouă, sau la IX, ca IV. Regretam eroarea.