भौतिकविद अपेक्षा से भी अधिक विचित्र बर्फ के रूप खोज रहे हैं

पानी की ठोस अवस्था दिखने से कहीं अधिक जटिल साबित हो रही है

फ्रीज़र ट्रे या सर्दियों की झील पर बर्फ परिचित लग सकती है, लेकिन भौतिकविद इसे प्रकृति की सबसे चौंकाने वाली सामग्रियों में से एक के रूप में देखने लगे हैं। क्वांटा मैगज़ीन की एक नई रिपोर्ट के अनुसार, वैज्ञानिकों ने सिर्फ पिछले एक वर्ष में बर्फ के तीन नए प्रकार पहचाने हैं, जिनमें अब तक देखी गई सबसे जटिल बर्फ अवस्थाओं में से दो शामिल हैं। इन खोजों ने पहले से ही बढ़ते उस सूची-भंडार में इजाफा किया है, जिसमें क्रिस्टलीय बर्फ की 20 से अधिक ज्ञात अवस्थाएं शामिल हैं.

कहानी केवल इतनी नहीं है कि बर्फ के कई प्रकार हैं। बात यह है कि पानी अलग-अलग परिस्थितियों में अपने-आप असाधारण विविध ठोस संरचनाएं बना सकता है। शोधकर्ताओं का कहना है कि कंप्यूटर सिमुलेशन ने बर्फ के संभावित रूपों की हजारों नहीं, बल्कि दसियों हजार किस्मों का अनुमान लगाया है। इसका मतलब यह नहीं कि वे सभी प्रयोगशाला में या प्रकृति में मिल ही जाएंगे। लेकिन इससे यह जरूर संकेत मिलता है कि वैज्ञानिक अब तक जितना समझते थे, उससे कहीं अधिक समृद्ध अवस्था-स्थान के साथ काम कर रहे हैं.

बर्फ भौतिकविदों को बार-बार क्यों चौंकाती है

इसका कारण पानी की अपनी ज्यामिति में है। क्वांटा के अनुसार, हर पानी के अणु में एक ऑक्सीजन परमाणु होता है जो दो हाइड्रोजन परमाणुओं से जुड़ा होता है, और मुक्त इलेक्ट्रॉनों के दो जोड़े अणु के प्रभावी आकार को चार भुजाओं जैसी संरचना में फैला देते हैं, जिन्हें विद्युतचुंबकीय बल अलग रखते हैं। यही संरचना पानी को बार-बार दोहराने वाली क्रिस्टलीय व्यवस्थाओं में संगठित होने की असाधारण लचीलापन देती है.

सामान्य बर्फ में ये अणु एक खुली षट्भुजाकार संरचना बनाते हैं। यही खुला विन्यास साधारण बर्फ को तरल पानी से कम घना बनाता है, इसलिए बर्फ तैरती है और झीलें ऊपर से नीचे की ओर जमती हैं। लेकिन दाब के तहत पानी बहुत अलग पैटर्न में सघन हो सकता है। तापमान बदलें, दाब बदलें, या इन परिस्थितियों को लागू करने की गति बदलें, और अणु नई क्रिस्टलीय अवस्थाओं में व्यवस्थित हो सकते हैं.

लॉरेंस लिवरमोर नेशनल लेबोरेटरी के मारियस मिलो ने क्वांटा से कहा कि पानी को संपीड़ित करने के तरीके में बहुत सूक्ष्म बदलाव भी बिल्कुल अप्रत्याशित व्यवहार उजागर कर सकते हैं। यही टिप्पणी बताती है कि यह क्षेत्र इतनी तेजी से क्यों आगे बढ़ा है। जैसे-जैसे शोधकर्ता प्रयोगात्मक तकनीकें बेहतर कर रहे हैं और पुरानी धारणाएं छोड़ रहे हैं, वे ऐसी संरचनाएं खोज रहे हैं जो पहले बनाने या पहचानने की कठिनाई के कारण छिपी हुई थीं.

एक साल में तीन नए रूप

रिपोर्ट के अनुसार, पिछले वर्ष में बर्फ के तीन नए प्रकार खोजे गए हैं। इनमें से दो अब तक देखी गई सबसे जटिल अवस्थाओं में गिने जाते हैं। कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के क्रिस पिकार्ड ने मौजूदा दौर को उल्लेखनीय बताया और कहा कि शोधकर्ता इन संरचनाओं में से कहीं अधिक खोज रहे हैं.

इस गति का महत्व इसलिए है क्योंकि हर नई अवस्था सैद्धांतिक भविष्यवाणियों की परीक्षा लेती है और उन्हें परिष्कृत करती है। पानी लंबे समय से सरल सामग्रियों की तुलना में असामान्य व्यवहार के लिए कुख्यात रहा है। जैसे-जैसे सत्यापित बर्फ रूपों की सूची बढ़ती है, भौतिकविदों को यह जांचने का बेहतर तरीका मिलता है कि क्या उनके सिमुलेशन अत्यंत परिस्थितियों में आणविक संगठन की वास्तविक संभावनाओं को पकड़ पा रहे हैं.

बढ़ती सूची इस क्षेत्र का स्वर भी बदलती है। असामान्य बर्फ अवस्थाओं को दुर्लभ जिज्ञासाओं के रूप में देखने के बजाय, वैज्ञानिक अब उन्हें एक व्यापक परिदृश्य का हिस्सा मानने लगे हैं, जिसका केवल आंशिक ही मानचित्रण हुआ है। यदि संभावित रूपों की बड़ी संख्या बताने वाले सिमुलेशन दिशा के लिहाज से भी सही हैं, तो मौजूदा खोजें निष्कर्ष नहीं, बल्कि आरंभिक चरण हो सकती हैं.

पृथ्वी से परे, विचित्र बर्फ आम हो सकती है

इन निष्कर्षों का महत्व यह भी है कि पृथ्वी पर दुर्लभ बर्फ कहीं और दुर्लभ न हो। क्वांटा के अनुसार, विचित्र बर्फ धूमकेतुओं की ठंडी, अनाकार पूंछों से लेकर बर्फीले ग्रहों के गर्म, दबावपूर्ण अंदरूनी हिस्सों तक के वातावरण में मौजूद हो सकती है। दूसरे शब्दों में, पानी की चरम अवस्थाओं का प्रयोगशाला अध्ययन ग्रहों के आंतरिक भागों और पृथ्वी से बाहर की परिस्थितियों को समझने का एक तरीका भी है.

इससे एक ऐसी कहानी का महत्व बढ़ जाता है जो अन्यथा एक सीमित सामग्री-विज्ञान विषय जैसी लग सकती थी। पानी रोज़मर्रा की जिंदगी के सबसे परिचित पदार्थों में से एक है, लेकिन अजनबी परिस्थितियों में उसका व्यवहार शोधकर्ताओं को उन स्थानों को समझने में मदद कर सकता है जो भौतिक रूप से पहुंच से बाहर हैं। जैसे-जैसे संभावित बर्फ अवस्थाओं का नक्शा अधिक पूर्ण होता जाएगा, वैज्ञानिक दूरस्थ दुनियाओं के भीतर क्या होता है, इसे उतनी ही बेहतर तरह से समझ सकेंगे, जहां दाब और तापमान असामान्य ढंग से मिलते हैं.

क्वांटा रिपोर्ट में प्रयुक्त “स्पेस ऑडिटी” वाक्यांश इस संगम को अच्छी तरह व्यक्त करता है। बर्फ केवल घरेलू पदार्थ नहीं है, या केवल भूभौतिकीय पदार्थ भी नहीं है। यह एक ग्रहों से जुड़ी सामग्री बनती जा रही है, जिसके अजीब रूप सौरमंडल की संरचना का हिस्सा हो सकते हैं.

बेहतर तरीकों से खुला एक क्षेत्र

यह कहानी यह भी दिखाती है कि खोज कितनी हद तक पद्धति पर निर्भर करती है। रिपोर्ट हालिया प्रगति का श्रेय बेहतर प्रयोगात्मक तकनीकों और पुरानी धारणाओं से आगे बढ़ने की इच्छा को देती है। पानी की आणविक संरचना हमेशा एक जैसी रही है। बदला यह है कि वैज्ञानिक उसे नई सीमाओं तक ले जाने और वहां बनने वाली संरचनाओं की पहचान करने में अधिक सक्षम हो गए हैं.

विकसित वैज्ञानिक क्षेत्रों में प्रगति अक्सर इसी तरह होती है। एक ऐसी सामग्री, जिसे हर कोई समझ चुका मानता है, उपकरण बेहतर होने पर फिर से अपरिचित लगने लगती है। इस मामले में शोधकर्ता यह पा रहे हैं कि दाब के तहत पानी केवल मात्रा में अलग व्यवहार नहीं करता। वह गुण में भी अलग तरह से संगठित हो सकता है.

इसलिए ये खोजें केवल सूची में जोड़ नहीं हैं। वे इस बात में बदलाव का संकेत हैं कि बर्फ की भौतिकी अब कितनी खुली-आख्यायी लगने लगी है। बर्फ को एकल या लगभग स्थिर पदार्थ मानने की छवि अब क्रिस्टलीय संभावनाओं के विस्तृत परिवार की ओर बदल रही है.

एक साधारण पदार्थ का बड़ा अर्थ

इस विचार में कुछ वैज्ञानिक रूप से उपयोगी और दार्शनिक रूप से उल्लेखनीय दोनों है कि पृथ्वी पर सबसे प्रसिद्ध अणुओं में से एक अब भी बुनियादी आश्चर्य दे रहा है। पानी रसायन, जलवायु, जीवविज्ञान और ग्रह-विज्ञान का केंद्र बना हुआ है। फिर भी इसके ठोस रूप विशेषज्ञों को भी उल्लेखनीय गति से नए रूप में मिल रहे हैं.

इसी कारण ये नई खोजें अपनी तात्कालिक तकनीकी बारीकियों से आगे भी मायने रखती हैं। वे दिखाती हैं कि परिचित सामग्रियों में भी संरचना, सही परिस्थितियों और उपकरणों के सामने आने तक, आंखों के सामने छिपी रह सकती है। पिछले वर्ष में बर्फ के तीन नए प्रकारों की रिपोर्ट और उससे कहीं अधिक संभावनाओं का संकेत देने वाले सिमुलेशन के साथ, भौतिकविद केवल बर्फ के विज्ञान को परिष्कृत नहीं कर रहे हैं। वे उसे फिर से खोल रहे हैं.

यह लेख Quanta Magazine की रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें.