4 Minuten
Pagrindas: Vandens Ledo Paslaptingumas Kosmose
Vanduo – gyvybės pagrindas ir daugelio kosminių procesų variklis – nuolat stebina mokslininkus savo neįprastomis savybėmis. Žemėje mums pažįstamas kristalinis ledo pavidalas, pasižymintis taisyklinga molekuline gardele. Šią tvarką galime matyti ir sniego dribsnių simetrijoje. Tačiau astronomai jau seniai manė, kad atšiaurios kosminės sąlygos – labai žema temperatūra ir visiškas atmosferos slėgio nebuvimas – verčia vandenį šalti daug netvarkingesnėje struktūroje, vadinamoje amorfiniu ledu. Toks “netvarkingas” ledas susiformuoja, kai vandens garai tuoj pat nusėda ant labai šaltų paviršių, praleidžiant skystąją stadiją.
Vis dėlto vandens ledas – kur kas įvairesnis, nei atrodo. Tyrėjai nustatė, kad jis gali egzistuoti bent 20 skirtingų fazių, priklausomai nuo aplinkos slėgio ir temperatūros, todėl tai – viena universaliausių ir mįslingiausių medžiagų visatoje. Tikslus supratimas, kaip vanduo užšąla kosmose, turi didelę svarbą – jis lemia planetų formavimąsi, medžiagos judėjimą tarp žvaigždžių ir galimai gyvybei tinkamų aplinkų atradimą kituose pasauliuose.
Tyrimo Metodai: Eksperimentai ir Modeliavimas Kosminiam Ledui Tirti
Norėdami išsiaiškinti, kaip iš tikrųjų atrodo mikroskopinė vandens ledo struktūra už Žemės ribų, fizikų komanda iš Londono universiteto koledžo ir Kembridžo universiteto taikė didelės galios kompiuterinius modeliavimus bei laboratorinius eksperimentus. Jų tikslas – nustatyti, ar kosminis ledas tikrai toks vientisas ir be struktūros, kaip manyta anksčiau, ar po paviršiumi slypi paslėpta tvarka.
Naudodamiesi molekuline dinamika, tyrėjai „užšaldė“ vandens molekulių konteinerius iki maždaug –120 °C temperatūros. Keičiant aušinimo tempą, jie sukūrė įvairių proporcijų amorfinio ir kristalinio ledo mišinius. Lėtesnis šaldymas leido molekulėms susitvarkyti į gardeles, o labai spartus šaldymas sukėlė didesnį netvarkingumą. Ankstesniuose darbuose buvo naudojama rentgeno sklaida, siekiant įvertinti amorfinio ledo sandarą, tačiau dabartiniai bandymai parodė, kad geriausiai stebėtas struktūras atitinka ledas, kuriame apie 20% sudaro kristaliniai, o 80% – amorfiniai regionai. Tai rodo, jog net ir tariamai amorfiniame lede egzistuoja nanometrinio masto tvarka.
Imituodami ledo formavimąsi kosmose, mokslininkai laboratorijoje garino vandenį ant itin šaltų paviršių, panašių į tarpžvaigždžių dulkių grūdelius ar planetinius akmenis, taip pat gamino tankesnes amorfinio ledo atmainas suslėgdami ir atšaldydami pavyzdžius. Svarbus žingsnis buvo atsargus mėginių pašildymas, kad būtų galima stebėti, ar atsiskleidžia kristaliniai raštai – tai rodytų, kad vidinė struktūra jau buvo susiformavusi anksčiau, nors iš pradžių ji ir nebuvo matoma.
Pagrindiniai Atrasti: Kristalinės Salelės Kosminiame Lede
Priešingai ilgametėms prielaidoms, mokslininkai nustatė, jog kosmose susidarantis ledas nėra visiškai amorfinis. Jame pastebėtos mažytės, vos kelių nanometrų dydžio, kristalinės sritys, įsiterpusios amorfiniame fone. Šios žemutėje temperatūroje susiformavusios kristalinės sritys parodo, kad net pačiose atšiauriausiose aplinkose vanduo geba sukurti tvarkos „kišenes“ – tai meta iššūkį anksčiau vyravusioms kosminio ledo sampratoms.
„Dabar turime gerą supratimą, kaip iš tiesų atrodo dažniausiai visatoje aptinkamas ledo tipas atominio lygio masteliu, – teigia dr. Michael Benedict Davies. – Tai svarbu, nes ledas vaidina pagrindinį vaidmenį planetų susidaryme, galaktikų raidoje ir visoje kosmoso medžiagos apykaitoje.“
Šie atradimai aktualūs ne tik astrofizikoje. Kadangi vanduo „prisimena“ ankstesnes kristalines sandaras net keičiantis temperatūrai ar fazei, amorfinės medžiagos technologijose (pavyzdžiui, stiklo pluošte duomenų perdavimui) taip pat gali slėpti kristalinių sričių. Kristalų buvimas galėtų daryti įtaką tokių medžiagų savybėms ir veikimui.
Platesnė Reikšmė ir Ateities Kryptys
Šis tyrimas ne tik iš esmės atnaujino mūsų supratimą apie tarpžvaigždinį ledą, bet ir atvėrė naujų klausimų apie amorfiškų medžiagų savybes apskritai. Jos apima ne tik ledą, bet ir stiklą, polimerus, technines keramikas – tai svarbios sritys modernioje technologijoje. Kaip pažymi dr. Christoph Salzmann iš Londono universiteto koledžo, „Žemės ledas pasižymi tvarka dėl palyginti šiltos planetos aplinkos. Kitur Visatoje ledas buvo laikomas visiškai netvarkingu – tartum sustingusi skysto vandens akimirka. Dabar žinome, jog tai nėra tiesa.“
Jei amorfinės medžiagos – nuo kosminio ledo iki stiklo pluošto – slepia nano-kristalus, būsimi tyrimai galės atskleisti būdus, kaip juos aptikti ir valdyti. Tai galėtų pagerinti įvairių technologinių prietaisų, priklausančių nuo „netvarkingų“ medžiagų, efektyvumą. Nors tyrimas atliktas Žemėje, pats eksperimentas rodo, kad nanoskalės kristalinės sritys turėtų būti dažnos visatos lede – tai keičia ir astrofizinės chemijos, ir medžiagų mokslo požiūrį.
Išvada
Paaiškėjimas, jog kosmoso ledas nėra visiškai amorfinis, bet slepia sudėtingas nanokristalų struktūras, keičia mūsų suvokimą apie vandens elgseną šalčiausiose Visatos platybėse. Šis naujas požiūris ne tik praplečia mūsų žinias apie planetų ir galaktikų raidą, bet ir skatina naujas idėjas kuriant pažangius, amorfiniams pagrįstus technologinius sprendimus. Tolimesni tyrimai gali padėti suprasti ne tik tarpžvaigždinio ledo paslaptis, bet ir sukurti efektyvesnius modernios technikos sprendimus mūsų skaitmeniniam pasauliui.
Quelle: sciencealert
Kommentare