నెప్ట్యూన్ మరియు యురేనస్ అంతర్భాగాలను వివరించగల వింత సూపర్ఐయానిక్ మంచును శాస్త్రవేత్తలు సృష్టించారు

నెప్ట్యూన్ మరియు యురేనస్ లోతైన అంతర్భాగంలో, నీరు ఐస్ క్యూబ్ ట్రే నింపే పదార్థం లాంటిది కాదు. ఆ గ్రహాల అంతర్భాగాల భారీ పీడనాలు మరియు ఉష్ణోగ్రతల కింద, అది సూపర్ఐయానిక్ మంచు అని పిలువబడే ఒక వింత స్థితిలోకి ప్రవేశిస్తుంది — ఈ దశలో ఆక్సిజన్ పరమాణువులు దృఢమైన ఘన జాలకంలో లాక్ అవుతాయి, హైడ్రోజన్ కేంద్రకాలు ద్రవం లాగా ఆ జాలకం గుండా ప్రవహిస్తాయి. ఆ కదిలే హైడ్రోజన్ కేంద్రకాలు ఛార్జ్ను మోయగలవు కాబట్టి, ఈ పదార్థం విద్యుత్తును ప్రసరిస్తుంది, ఈ లక్షణం రెండు ఐస్ జెయింట్ల చుట్టూ ఉన్న వింత అయస్కాంత క్షేత్రాలకు సంబంధించి ఉండవచ్చు.

ఈ వేడి, విద్యుత్ ప్రసరించే మంచు ఉండాలని పరిశోధకులకు చాలా కాలంగా తెలుసు. కానీ గ్రహ పరిస్థితుల్లో అది ఖచ్చితంగా ఏ స్ఫటిక నిర్మాణాలను స్వీకరిస్తుందో వారికి తెలియదు. నెప్ట్యూన్ నుండి ఒక నమూనాను తవ్వి భూమికి తీసుకురావడానికి ఏ ప్రోబ్ కూడా సాధ్యం కాదు కాబట్టి, ఫ్రాన్స్లోని ప్రత్యామ్నాయ శక్తి మరియు అణు శక్తి కమిషన్ (CEA)లో అలెక్సిస్ ఫారెస్టియర్ నేతృత్వంలోని బృందం తదుపరి ఉత్తమ పనిని చేసింది: వారు ఆ తీవ్ర పరిస్థితులను ప్రయోగశాలలో పునఃసృష్టించి, మంచు ఏమి చేస్తుందో గమనించారు.

ఐస్ జెయింట్ అంతర్భాగాన్ని సూక్ష్మ స్థాయిలో పునఃసృష్టించడం

బృందం యొక్క ప్రయోగాత్మక విధానం డైమండ్ యాన్విల్ సెల్ అనే పరికరంపై ఆధారపడింది, ఇది రెండు అత్యంత కఠినమైన వజ్రం కొనల మధ్య సూక్ష్మ నమూనాను బంధించి, వాటిని కలిపి నొక్కుతుంది. ఈ ఏర్పాటు భూమి ఉపరితలంపై సహజంగా ఎక్కడా లేని పీడనాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి పరిశోధకులను అనుమతిస్తుంది. ఈ సందర్భంలో, శాస్త్రవేత్తలు తమ మంచు నమూనాలను 230 గిగాపాస్కల్స్ వరకు నెట్టారు — ఇది సముద్ర మట్టం వద్ద భూమి వాతావరణ పీడనం కంటే రెండు మిలియన్ల రెట్లు ఎక్కువ.

పీడనం ఒక్కటే సగం వంటకం. గ్రహ అంతర్భాగపు మండే వేడిని అనుకరించడానికి, పరిశోధకులు బంధించిన మంచుపై లేజర్లను ప్రయోగించి, దాని ఉష్ణోగ్రతను 1,800 కెల్విన్ కంటే ఎక్కువకు పెంచారు. ఆ నలిపివేసే శక్తి మరియు తీవ్ర వేడి కలయికలో, నమూనా సూపర్ఐయానిక్ పరిధిలోకి ప్రవేశించింది.

సూక్ష్మ కణంలో ఏమి జరుగుతుందో నిర్ణయించడానికి, బృందం యూరోపియన్ సింక్రోట్రాన్ రేడియేషన్ ఫెసిలిటీలో ఎక్స్-రే డిఫ్రాక్షన్ వైపు మళ్లింది. ఈ పద్ధతి ఎక్స్-రేలు నమూనా నుండి ఎలా చెదురుతాయో కొలవడం ద్వారా పరమాణువులు తమను తాము ఎలా అమర్చుకుంటాయో వెల్లడిస్తుంది, దీనివల్ల శాస్త్రవేత్తలకు స్ఫటిక జాలకం యొక్క చిత్రం దానిని ఎప్పుడూ తాకకుండానే లభిస్తుంది. పీర్-రివ్యూడ్ జర్నల్ Physical Review Lettersలో ప్రచురించబడిన ఫలితాలు, పరిశోధకులు ఇంతకుముందు ఖచ్చితంగా నిర్ధారించని ఒక విషయాన్ని చూపించాయి.

విభజిత వ్యక్తిత్వం కలిగిన పదార్థం

సూపర్ఐయానిక్ మంచు ఒకేసారి రెండు పదార్థ స్థితుల్లా ప్రవర్తిస్తుంది కాబట్టి ఇది విశేషమైనది. దాని ఆక్సిజన్ పరమాణువులు స్థిర స్థానాలను ఆక్రమిస్తాయి, అక్కడే ఉండే స్ఫటిక అస్థిపంజరాన్ని ఏర్పరుస్తాయి. ఇంతలో, హైడ్రోజన్ కేంద్రకాలు — సాధారణంగా నీటి అణువులలో బంధించబడే ప్రోటాన్లు — చలనశీలమై, అయాన్లు ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్ గుండా కదిలినట్లే ఆక్సిజన్ నిర్మాణం గుండా వలసపోతాయి.

ఆ విభజనే ఈ దశను అంత అసాధారణంగా చేస్తుంది. ఘన ఆక్సిజన్ జాలకం పదార్థానికి నిర్దిష్ట నిర్మాణం మరియు ఆకారాన్ని ఇస్తుంది, ప్రవహించే హైడ్రోజన్ విద్యుత్ వాహకత్వాన్ని అందిస్తుంది. గ్రహ అంతర్భాగంలో, అలాంటి పదార్థం యొక్క పొర సాధారణ నీటి మంచు కంటే చాలా భిన్నంగా ప్రవర్తించగలదు, వేడి ఎలా కదులుతుంది, పదార్థం కాలక్రమేణా ఎలా వికృతమవుతుంది, మరియు విద్యుత్ ప్రవాహాలు ఎలా ప్రసరిస్తాయి అనేవి మార్చగలదు.

అయితే ఇప్పటివరకు, ఆ ఆక్సిజన్ అస్థిపంజరం యొక్క జ్యామితి గురించి శాస్త్రవేత్తలకు స్పష్టమైన సమాధానం లేదు. వివిధ స్ఫటిక అమరికలు — ఘనాకార, షట్కోణ, మరియు ఇతరాలు — వివిధ భౌతిక లక్షణాలను సూచిస్తాయి, కాబట్టి సరైనదాన్ని గుర్తించడం ఐస్ జెయింట్ లోపల ఏమి జరుగుతుందో ఏ నమూనాకైనా ముఖ్యం.

తీవ్ర పీడనం వద్ద షట్కోణ ప్యాకింగ్ ఆధిపత్యం చెలాయిస్తుంది

సింక్రోట్రాన్ కొలతలు పరీక్షించిన పరిస్థితులకు నిర్దిష్ట సమాధానాన్ని ఇచ్చాయి. సుమారు 200 గిగాపాస్కల్స్ మరియు 1,800 కెల్విన్ పైన, ఆక్సిజన్ పరమాణువులు షట్కోణ క్లోజ్-ప్యాక్డ్ అమరికలో, సంక్షిప్తంగా hcp లో స్థిరపడ్డాయి. ఆ పీడన-ఉష్ణోగ్రత విండోలో, ఈ షట్కోణ రూపం సూపర్ఐయానిక్ మంచు యొక్క ఆధిపత్య దశగా మారింది, ఆధిపత్యం చెలాయిస్తుందని ఆశించిన ఫేస్-సెంటర్డ్ క్యూబిక్, లేదా fcc, నిర్మాణాన్ని తొలగించింది.

ఈ ఆవిష్కరణ యొక్క ప్రాముఖ్యతను రచయితలు స్పష్టంగా తెలియజేశారు, వారు "ఒక నవల H2O మంచు దశ hcp ఆక్సిజన్ సబ్లాటిస్ను స్వీకరించడాన్ని నిస్సందేహంగా గమనించడం" అని నివేదిస్తున్నట్లు రాశారు. మరో మాటలో చెప్పాలంటే, ఇది ఇప్పటికే ఉన్న చిత్రం యొక్క సూక్ష్మ మెరుగుదల కాదు, నిజమైన గ్రహాలకు సంబంధించిన పరిస్థితుల్లో నీటి ఆక్సిజన్ పరమాణువుల యొక్క ప్రత్యేక అమరికను గుర్తించడం.

ఈ ఆవిష్కరణ రెండు వేర్వేరు ప్రయోగాత్మక పరుగుల నుండి వెలువడింది, మరియు బృందం తమ కొలతలను పీడన-ఉష్ణోగ్రత రేఖాచిత్రంపై మ్యాప్ చేసింది, ప్రతి దశ ఎక్కడ కనిపిస్తుందో ఖచ్చితంగా చూపిస్తుంది. ఆ రకమైన సరిహద్దు మ్యాప్ ఇతర పరిశోధకులకు గ్రహం లోపల ఇచ్చిన లోతు వద్ద మంచు యొక్క ఏ రూపం స్థిరంగా ఉండాలో అంచనా వేయడానికి అనుమతిస్తుంది.

అయస్కాంత క్షేత్రాలకు స్ఫటిక నిర్మాణం ఎందుకు ముఖ్యం కావచ్చు

ఈ పని యొక్క ఆచరణాత్మక ప్రయోజనం గ్రహ శాస్త్రంలో ఉంది. నెప్ట్యూన్ మరియు యురేనస్ రెండూ ఐస్ జెయింట్స్గా వర్గీకరించబడ్డాయి, మరియు రెండూ భూమి కంటే చాలా సంక్లిష్టమైన అయస్కాంత క్షేత్రాలను కలిగి ఉన్నాయి. వాటి క్షేత్రాలు గ్రహాల భ్రమణ అక్షాలతో చక్కగా సమలేఖనం చేయబడవు, మరియు వాటి చుట్టూ ఉన్న అయస్కాంత వాతావరణం మన గ్రహాన్ని రక్షించే చక్కటి డైపోల్తో పోలిస్తే అస్తవ్యస్తంగా ఉంటుంది.

ఒక ప్రముఖ వివరణ సూపర్ఐయానిక్ మంచు ఉంటుందని భావించే లోతైన అంతర్భాగ పొరలను కలిగి ఉంటుంది. పదార్థం విద్యుత్తును ప్రసరిస్తుంది కాబట్టి, దానిలో కదిలే ప్రవాహాలు అయస్కాంత క్షేత్రాలను ఉత్పత్తి చేయగలవు. మంచు యొక్క ఖచ్చితమైన స్ఫటిక నిర్మాణం విద్యుత్ ఎంత సులభంగా మరియు ఏ దిశల్లో ప్రవహిస్తుందో ప్రభావితం చేస్తుంది, కాబట్టి ఆక్సిజన్ జాలకం షట్కోణమా లేక ఘనాకారమా అని నిర్ధారించడం ఆ నమూనాలకు ఇన్పుట్లను మారుస్తుంది.

200 గిగాపాస్కల్స్ మరియు 1,800 కెల్విన్ పైన hcp మంచు ఆధిపత్యం చెలాయిస్తుందని నిర్ధారించడం ద్వారా, CEA నేతృత్వంలోని బృందం ఈ దూర ప్రపంచాల అంతర్భాగాలను అనుకరించడానికి — మరియు వాటి అయస్కాంత క్షేత్రాలు ఎందుకు అలా ప్రవర్తిస్తాయో వివరించడానికి — సిద్ధాంతకర్తలకు మరింత దృఢమైన పునాదిని ఇచ్చింది.

ఇంకా తెరిచి ఉన్న ప్రశ్నలు

ఈ ప్రయోగం పీడనం మరియు ఉష్ణోగ్రత స్థలం యొక్క నిర్దిష్ట భాగాన్ని సంగ్రహిస్తుంది, ఇది ఒక గ్రహం కంటే చాలా చిన్న నమూనాలలో స్వల్ప ప్రయోగశాల కాలవ్యవధిలో ఉత్పత్తి చేయబడింది. పూర్తి గ్రహ అంతర్భాగాలకు ఆ అంతరాన్ని పూరించడానికి మోడలింగ్ అవసరం, మరియు బృందం యొక్క పీడన-ఉష్ణోగ్రత రేఖాచిత్రాన్ని నెప్ట్యూన్ లేదా యురేనస్ యొక్క పూర్తి వివరణగా కాకుండా ఆ మోడలింగ్ కోసం మార్గదర్శకంగా అర్థం చేసుకోవడం ఉత్తమం.

అయినప్పటికీ, ఈ ఫలితం మసకబారిన చిత్రాన్ని స్పష్టం చేస్తుంది. ఐస్-జెయింట్ పరిస్థితుల్లో సూపర్ఐయానిక్ నీరు ఏ స్ఫటిక నిర్మాణాన్ని ఇష్టపడుతుందనే దానికి శాస్త్రవేత్తలకు ఇప్పుడు ప్రత్యక్ష సాక్ష్యం ఉంది, మరియు తదుపరి ప్రయోగాలు మరియు అనుకరణల కోసం వారికి స్పష్టమైన లక్ష్యం ఉంది.

ముఖ్య అంశాలు

• ఫ్రాన్స్లోని CEAలో అలెక్సిస్ ఫారెస్టియర్ నేతృత్వంలోని బృందం డైమండ్ యాన్విల్ సెల్ ఉపయోగించి ఐస్-జెయింట్ అంతర్భాగ పరిస్థితులను ప్రయోగశాలలో పునఃసృష్టించింది.
• మంచును 1,800 కెల్విన్ పైన వేడి చేసి, 230 గిగాపాస్కల్స్ వరకు పీడనానికి గురిచేశారు, ఇది భూమి వాతావరణ పీడనం కంటే రెండు మిలియన్ల రెట్లు ఎక్కువ.
• యూరోపియన్ సింక్రోట్రాన్ రేడియేషన్ ఫెసిలిటీలో ఎక్స్-రే డిఫ్రాక్షన్ ఆక్సిజన్ పరమాణువులు షట్కోణ క్లోజ్-ప్యాక్డ్ జాలకాన్ని ఏర్పరుస్తున్నట్లు చూపించింది.
• సుమారు 200 గిగాపాస్కల్స్ మరియు 1,800 కెల్విన్ పైన, ఈ షట్కోణ దశ ఆధిపత్యం చెలాయించింది, ఫేస్-సెంటర్డ్ క్యూబిక్ దశను భర్తీ చేసింది.
• Physical Review Lettersలో ప్రచురించబడిన ఈ ఫలితాలు నెప్ట్యూన్ మరియు యురేనస్ యొక్క అసాధారణ అయస్కాంత క్షేత్రాలు మరియు లోతైన అంతర్భాగ పొరలను వివరించడంలో సహాయపడవచ్చు.

ఈ వ్యాసం Phys.org యొక్క రిపోర్టింగ్ ఆధారంగా రూపొందించబడింది. అసలు వ్యాసాన్ని చదవండి.