భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు ఊహించిన దానికంటే విచిత్రమైన మంచు రూపాలను కనుగొంటున్నారు

నీటి ఘన స్థితి కనిపించేంత సులభం కాకుండా చాలా క్లిష్టంగా ఉంది

ఫ్రీజర్ ట్రేలో లేదా శీతాకాల సరస్సుపై మంచు సుపరిచితంగా కనిపించొచ్చు, కానీ భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు దాన్ని ప్రకృతిలోని అత్యంత ఆశ్చర్యకరమైన పదార్థాల్లో ఒకటిగా increasingly పరిగణిస్తున్నారు. కొత్త Quanta Magazine నివేదిక ప్రకారం, గత ఒక్క సంవత్సరంలోనే శాస్త్రవేత్తలు మంచు యొక్క మూడు కొత్త రకాల‌ను గుర్తించారు, వాటిలో ఇప్పటివరకు చూసిన అత్యంత సంక్లిష్టమైన మంచు దశల్లో రెండూ ఉన్నాయి. ఈ కనుగొళ్ల‌లు ఇప్పటికే 20 కంటే ఎక్కువ తెలిసిన క్రిస్టలైన్ మంచు దశలతో కూడిన విస్తరిస్తున్న జాబితాకు మరింత చేరుస్తున్నాయి.

కథ కేవలం మంచు అనేక రకాలుగా ఉండడమే కాదు. వివిధ పరిస్థితుల్లో నీరు అసాధారణమైన శ్రేణి గల ఘన నిర్మాణాలను స్వయంగా ఏర్పరచుకోగలదన్నదే అసలు విషయం. కంప్యూటర్ సిమ్యులేషన్లు మంచు సాధ్యమైన రూపాల్లో పది వేలల సంఖ్యలో ఉండవచ్చని ఇప్పుడు పరిశోధకులు చెబుతున్నారు. అందులో అన్నీ ప్రయోగశాలలో లేదా ప్రకృతిలో కనుగొనబడతాయని కాదు. కానీ ఇది పాత అంచనాలు అనుమతించిన దానికంటే శాస్త్రవేత్తలు ఎంతో సమృద్ధమైన phase space‌తో పని చేస్తున్నారని సూచిస్తుంది.

మంచు ఎందుకు భౌతిక శాస్త్రవేత్తలను పదేపదే ఆశ్చర్యపరుస్తుంది

దీనికి కారణం నీటి ఆకృతిశాస్త్రం. Quanta ప్రకారం, ప్రతి నీటి అణువులో రెండు హైడ్రోజన్ అణువులకు బంధించిన ఒక ఆక్సిజన్ అణువు ఉంటుంది, అలాగే రెండు జతల స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు అణువు యొక్క ప్రభావశీల ఆకారాన్ని విద్యుత్‌చుంబక బలాలచే దూరంగా నిలిచిన నాలుగు చేతుల్లాంటి రూపంగా విస్తరింపజేస్తాయి. ఆ నిర్మాణం నీటికి పునరావృత క్రిస్టలైన్ ఏర్పాట్లలో ఎలా అమరాలో అసాధారణమైన సౌలభ్యాన్ని ఇస్తుంది.

సాధారణ మంచులో, ఆ అణువులు విస్తృతమైన షడ్భుజాకార నిర్మాణాన్ని ఏర్పరుస్తాయి. ఆ ఓపెన్ అమరిక వల్ల సాధారణ మంచు ద్రవ నీటికంటే తక్కువ సాంద్రత కలిగిఉంటుంది; అందుకే మంచు తేలుతుంది, సరస్సులు పై నుంచి కిందికి గడ్డకట్టుతాయి. కానీ పీడనంలో నీరు చాలా భిన్నమైన నమూనాల్లో కుదించబడుతుంది. ఉష్ణోగ్రతను మార్చినా, పీడనాన్ని మార్చినా, లేదా ఆ పరిస్థితులను వర్తింపజేసే వేగాన్ని మార్చినా, అణువులు కొత్త క్రిస్టలైన్ స్థితుల్లో స్థిరపడగలవు.

Lawrence Livermore National Laboratoryకు చెందిన Marius Millot Quantaకి, నీటిని కుదించే విధానంలో తక్కువ తేడాలు కూడా పూర్తిగా అనూహ్యమైన ప్రవర్తనను బయటపెట్టగలవని చెప్పారు. ఆ వ్యాఖ్య రంగం ఎందుకు వేగంగా ముందుకు సాగిందో వివరిస్తుంది. పరిశోధకులు ప్రయోగ పద్ధతులను మెరుగుపరచి, పాత అంచనాలను పక్కన పెడుతుండగా, తయారు చేయడం లేదా గుర్తించడం కష్టమైన నిర్మాణాలను వెలికితీస్తున్నారు.

ఒక ఏడాదిలో మూడు కొత్త రూపాలు

నివేదిక ప్రకారం, గత ఏడాదిలో మంచు యొక్క మూడు కొత్త రకాల‌ను కనుగొన్నారు. వాటిలో రెండూ ఇప్పటివరకు కనిపించిన అత్యంత సంక్లిష్టమైన దశలలో ఉన్నాయి. University of Cambridgeకు చెందిన Chris Pickard ప్రస్తుత కాలాన్ని విశేషమైనదిగా వివరించి, పరిశోధకులు ఇలాంటి నిర్మాణాలను మరింతగా కనుగొంటున్నారని చెప్పారు.

ఈ వేగం ముఖ్యమైనది, ఎందుకంటే ప్రతి కొత్త దశ సైద్ధాంతిక అంచనాలను పరీక్షించి, వాటిని సవరించడానికి సహాయపడుతుంది. సాధారణ పదార్థాలతో పోలిస్తే నీరు చాలా కాలంగా విచిత్రంగా ప్రవర్తించడంలో ప్రసిద్ధి పొందింది. ధృవీకరించబడిన మంచు రూపాల జాబితా పెరుగుతున్న కొద్దీ, తీవ్రమైన పరిస్థితుల్లో అణు వ్యవస్థీకరణ యొక్క నిజమైన అవకాశాలను తమ సిమ్యులేషన్లు పట్టుకుంటున్నాయా లేదా అన్నది భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు మెరుగ్గా పరీక్షించగలుగుతున్నారు.

ఈ విస్తరిస్తున్న జాబితా రంగం యొక్క స్వరాన్నీ మార్చుతోంది. అసాధారణమైన మంచు దశలను అరుదైన ఆసక్తికర విషయాలుగా కాకుండా, శాస్త్రవేత్తలు వాటిని ఇంకా కొంతమేర మాత్రమే మ్యాప్ చేసిన విస్తృత దృశ్యభాగంలో భాగాలుగా చూస్తున్నారు. సాధ్యమైన రూపాల కోసం విపరీత సంఖ్యలను సూచించే సిమ్యులేషన్లు దిశాత్మకంగా అయినా సరైనవైతే, ప్రస్తుత కనుగొళ్ల‌లు ముగింపు కాకుండా ఆరంభ దశను సూచించవచ్చు.

భూమి వెలుపల, అసాధారణ మంచు సాధారణంగా ఉండవచ్చు

ఈ కనుగొళ్ల‌ల ప్రాముఖ్యతకు ఒక కారణం, భూమిపై అరుదైన మంచు ఇతరచోట్ల అరుదుగా ఉండకపోవచ్చన్నది. Quanta ప్రకారం, చల్లని, అమోర్ఫస్ ధూమకేతు తోకల నుంచి వేడి, అధిక పీడనంతో నలిగే మంచు గ్రహాల అంతర్గత భాగాల వరకు ఉన్న వాతావరణాల్లో విచిత్రమైన మంచు ఉండవచ్చు. మరొక మాటలో చెప్పాలంటే, నీటి అత్యంత స్థితులపై ప్రయోగశాల అధ్యయనం గ్రహాల అంతర్గత నిర్మాణాలు మరియు భూమి వెలుపలి పరిస్థితుల గురించి ఆలోచించే ఒక మార్గం కూడా.

దీనితో సాధారణంగా ఒక నిశ్ పదార్థ-శాస్త్ర కథలా అనిపించేదానికే మరింత ప్రాముఖ్యత వస్తుంది. నీరు రోజువారీ జీవితంలో అత్యంత పరిచయమైన పదార్థాల్లో ఒకటి, కానీ విదేశీ పరిస్థితుల్లో దాని ప్రవర్తన శారీరకంగా చేరుకోలేని ప్రదేశాలను పరిశోధకులు అర్థం చేసుకోవడంలో సహాయపడగలదు. సాధ్యమైన మంచు దశల పటం మరింత పూర్తిగా మారేకొద్దీ, పీడనం మరియు ఉష్ణోగ్రత అసాధారణంగా కలిసే దూర ప్రపంచాల లోపల ఏమి జరుగుతుందో శాస్త్రవేత్తలు ఇంకా మెరుగ్గా అర్థం చేసుకోగలరు.

Quanta నివేదికలోని “space oddity” అనే పదబంధం ఈ అతుకును బాగా పట్టుకుంది. మంచు కేవలం గృహోపయోగ పదార్థం కాదు, లేదా కేవలం భౌగోళిక పదార్థం మాత్రమే కాదు. ఇది మరింతగా గ్రహ సంబంధ పదార్థంగా మారుతోంది; దీని విచిత్ర రూపాలు సౌర వ్యవస్థ నిర్మాణంలో భాగం కావచ్చు.

మెరుగైన పద్ధతులతో తెరచుకున్న రంగం

ఈ కథలో మరో విషయం, కనుగొనడం ఎంతవరకు పద్ధతిపై ఆధారపడి ఉంటుందో సూచిస్తుంది. తాజా పురోగతికి మెరుగైన ప్రయోగాత్మక సాంకేతికతలు మరియు పాత అంచనాల నుంచి ముందుకు వెళ్లాలనే సిద్ధత కారణమని నివేదిక చెబుతోంది. నీటి అణు నిర్మాణం ఎప్పుడూ ఒకటే. మారింది, దాన్ని కొత్త స్థితులకు నెట్టివేసి అక్కడ ఏర్పడినదాన్ని గుర్తించే శాస్త్రవేత్తల సామర్థ్యం.

పక్వమైన శాస్త్రీయ రంగాలు తరచుగా ఇలాగే ముందుకు సాగుతాయి. అందరికీ తెలుసునని అనిపించే పదార్థం, సాధనాలు మెరుగుపడినప్పుడు మళ్లీ అపరిచితంగా మారుతుంది. ఈ సందర్భంలో, పీడనంలో నీరు కేవలం పరిమాణంలో మాత్రమే కాక, స్వభావంలో కూడా భిన్నంగా వ్యవస్థీకృతమవుతుందని పరిశోధకులు కనుగొంటున్నారు.

అందుకే ఈ కనుగొళ్లు కేవలం జాబితాకు చేర్పులు మాత్రమే కాదు. మంచు భౌతిక శాస్త్రం ఇప్పుడు ఎంతవరకు ఓపెన్-ఎండెడ్‌గా కనిపిస్తోందో దానిలో వచ్చిన మార్పును అవి సూచిస్తున్నాయి. మంచును ఒక్కటి లేదా దాదాపు స్థిరపడిపోయిన పదార్థంగా చూసే చిత్రం, విస్తారమైన క్రిస్టలైన్ అవకాశాల కుటుంబంగా మారుతోంది.

సరళమైన పదార్థం యొక్క పెద్ద అర్థం

భూమిపై అత్యంత ప్రసిద్ధ అణువుల్లో ఒకటి ఇంకా ప్రాథమిక ఆశ్చర్యాలను ఇస్తూనే ఉండటం శాస్త్రీయంగా ఉపయోగకరమైనదీ, తాత్వికంగా ఆశ్చర్యకరమైనదీ. నీరు రసాయన శాస్త్రం, వాతావరణం, జీవశాస్త్రం, మరియు గ్రహ శాస్త్రానికి కేంద్రబిందువుగానే ఉంది. అయినప్పటికీ దాని ఘన రూపాలు ఇంకా నిపుణులను కూడా ఆశ్చర్యపరిచే వేగంతో బయటపడుతున్నాయి.

అందుకే తాజా కనుగొళ్లలు వాటి తక్షణ సాంకేతిక వివరాలకు మించి కూడా ప్రాముఖ్యం కలిగి ఉన్నాయి. పరిచయమైన పదార్థాల్లో కూడా, సరైన పరిస్థితులు మరియు పరికరాలు వెలికితీసే వరకు నిర్మాణం కంటికి కనిపించకుండా దాగి ఉండగలదని అవి చూపిస్తున్నాయి. గత ఏడాదిలో మూడు కొత్త రకాల మంచు నివేదించబడినప్పటికీ, ఇంకా చాలా ఉండవచ్చని సిమ్యులేషన్లు సూచిస్తున్నప్పటికీ, భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు మంచు శాస్త్రాన్ని కేవలం మెరుగుపరచడం లేదు. వారు దాన్ని మళ్లీ తెరిచారు.

ఈ వ్యాసం Quanta Magazine నివేదిక ఆధారంగా రూపొందించబడింది. మూల వ్యాసాన్ని చదవండి.