सार:
बर्फ का मतलब आमतौर पर कम तापमान होता है, लेकिन वैज्ञानिकों ने अब पुष्टि की है कि अत्यधिक उच्च दबाव वाले वातावरण में, पानी एक विशेष प्रकार की "बर्फ" बना सकता है जो 2000 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर भी मौजूद रहती है। एक फ्रांसीसी अनुसंधान दल ने हाल ही में प्रयोगशाला में सफलतापूर्वक एक नए प्रकार की बर्फ बनाई है जिसके अस्तित्व की पहले सैद्धांतिक रूप से भविष्यवाणी की गई थी - हेक्सागोनल क्लोज-पैक्ड सुपरियोनिक बर्फ। यह सामग्री न तो सामान्य बर्फ की तरह पूरी तरह से ठोस है और न ही तरल की तरह स्वतंत्र रूप से बह सकती है, और इसकी अनूठी संरचना यूरेनस और नेपच्यून जैसे बर्फ के विशाल ग्रहों के अंदर असामान्य रूप से जटिल चुंबकीय क्षेत्रों को समझाने में मदद कर सकती है।
पानी पृथ्वी पर सबसे आम पदार्थों में से एक है और जीवन के लिए अपरिहार्य है। हालाँकि, भौतिक और रासायनिक दृष्टिकोण से, पानी में वास्तव में कई असामान्य गुण होते हैं। उदाहरण के लिए, साधारण तरल पानी के जमने पर उसका आयतन बढ़ जाएगा। बर्फ का घनत्व तरल पानी के घनत्व से कम होता है; पानी का सतह तनाव और क्वथनांक भी असामान्य रूप से उच्च होता है। यदि पूरी तरह से पानी के अणुओं के आणविक भार के आधार पर गणना की जाए, तो कमरे के तापमान पर पानी के गैस के रूप में मौजूद होने की अधिक संभावना होनी चाहिए।
जब पर्यावरण पृथ्वी की सतह से ग्रह के आंतरिक भाग में स्थानांतरित होता है, साथ ही अत्यधिक तापमान और दबाव डालता है, तो पानी और भी अजीब तरीके से व्यवहार करता है। शोधकर्ताओं ने इस बार प्रयोगशाला में यूरेनस और नेपच्यून के अंदर की चरम स्थितियों का अनुकरण किया, और पहली बार सीधे हेक्सागोनल क्लोज-पैक्ड सुपरियोनिक बर्फ की क्रिस्टल संरचना पर कब्जा कर लिया।
तथाकथित "सुपरियोनिक बर्फ" पारंपरिक ठोस और तरल पदार्थों के बीच पदार्थ की एक विशेष अवस्था है। जब पानी लाखों वायुमंडलों के भारी दबाव के अधीन होता है, तो सामग्री बहुत उच्च तापमान पर भी ठोस जैसी जाली संरचना बनाए रखने में सक्षम होती है। इस अवस्था में, पारंपरिक अर्थों में पानी के पूर्ण अणु अब मौजूद नहीं हैं। ऑक्सीजन परमाणु क्रिस्टल जाली की स्थिति में स्थिर होते हैं, जबकि हाइड्रोजन नाभिक तरल में कणों की तरह ऑक्सीजन परमाणुओं से बने क्रिस्टल जाली के बीच तेजी से घूम सकते हैं।
इसलिए, स्थूल दृष्टिकोण से, इस पदार्थ में ठोस और तरल दोनों की कुछ विशेषताएं हैं: ऑक्सीजन परमाणु एक स्थिर ठोस जाली बनाते हैं, जबकि हाइड्रोजन परमाणु अत्यधिक गतिशील होते हैं। यह अनूठी संरचना सुपरआयनिक बर्फ को अत्यधिक प्रवाहकीय भी बनाती है।
इस चरम पदार्थ को बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने हीरे की दो नोकों के बीच पानी का एक बहुत छोटा सा नमूना रखा और फिर धीरे-धीरे 2.3 मिलियन वायुमंडल तक का दबाव डाला। तुलना के लिए, पृथ्वी के केंद्र पर दबाव लगभग 3.6 मिलियन वायुमंडल है। इसके बाद शोधकर्ताओं ने संपीड़ित पानी को 2,630 केल्विन या लगभग 2,357 डिग्री सेल्सियस के तापमान तक गर्म करने के लिए उच्च-शक्ति लेजर का उपयोग किया।
ऐसी चरम स्थितियों में, शोधकर्ताओं ने नमूनों का विस्तृत स्कैन करने और परमाणु पैमाने से उच्च तापमान और उच्च दबाव वाले वातावरण में पानी के संरचनात्मक परिवर्तनों का निरीक्षण करने के लिए उच्च-ऊर्जा सिंक्रोट्रॉन विकिरण एक्स-रे का उपयोग किया। प्रयोग ने अंततः सुपरआयनिक बर्फ के क्रिस्टल को पकड़ लिया जिसमें ऑक्सीजन परमाणु एक हेक्सागोनल क्लोज-पैक संरचना, यानी एक एचसीपी संरचना में व्यवस्थित होते हैं।
प्रयोग से उस प्रक्रिया का भी पता चला जिसके द्वारा यह संरचना बनती है। जैसे-जैसे दबाव और तापमान बढ़ता रहेगा, मूल रूप से बनी फेस-केंद्रित क्यूबिक या एफसीसी संरचना हमेशा के लिए स्थिर नहीं रहेगी। क्रिस्टल के अंदर विभिन्न परतों के बीच धीरे-धीरे फिसलन होगी, और अंततः मूल संरचना पूरी तरह से एक अधिक स्थिर हेक्सागोनल क्लोज-पैक संरचना में बदल जाएगी, इस प्रकार एचसीपी सुपरियोनिक बर्फ बनेगी जो पहले सैद्धांतिक भविष्यवाणियों का फोकस रही है।
इस खोज का महत्व केवल "2,000 डिग्री सेल्सियस से अधिक की बर्फ" का निर्माण नहीं है। वैज्ञानिक लंबे समय से मानते रहे हैं कि यूरेनस और नेप्च्यून जैसे बर्फीले विशाल ग्रहों के अंदर विशाल सुपरआयनिक बर्फ की परतें हो सकती हैं, और इस सामग्री की विशेष चालकता दोनों ग्रहों के बेहद असामान्य चुंबकीय क्षेत्रों से निकटता से संबंधित हो सकती है।
यूरेनस और नेपच्यून के चुंबकीय क्षेत्र पृथ्वी से काफी भिन्न हैं। पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र मोटे तौर पर ग्रह के घूर्णन अक्ष के चारों ओर एक अपेक्षाकृत नियमित संरचना बनाता है, लेकिन यूरेनस और नेपच्यून के चुंबकीय क्षेत्र ग्रह के केंद्र और घूर्णन अक्ष से महत्वपूर्ण रूप से विचलित होते हैं, और उनकी संरचनाएं जटिल और असममित होती हैं। वैज्ञानिकों ने पहले सुझाव दिया है कि इस असामान्य चुंबकीय क्षेत्र को उत्पन्न करने वाला क्षेत्र ग्रह के मूल में नहीं, बल्कि उसके अंदर उच्च-वोल्टेज सामग्री से बनी एक प्रवाहकीय परत में स्थित हो सकता है।
सुपरियोनिक बर्फ में एक बहुत ही महत्वपूर्ण गुण होता है - यह बिजली का संचालन कर सकता है। क्योंकि हाइड्रोजन नाभिक ऑक्सीजन परमाणुओं की निश्चित जाली के बीच स्वतंत्र रूप से घूम सकता है, यह सामग्री विद्युत और हाइड्रोडायनामिक गुणों को विकसित करने में सक्षम है जो सामान्य बर्फ से पूरी तरह से अलग हैं। यदि यूरेनस और नेप्च्यून के अंदर सामग्री की ऐसी परत मौजूद है, तो यह दोनों ग्रहों के अजीब चुंबकीय क्षेत्रों को चलाने वाले महत्वपूर्ण कारकों में से एक हो सकती है।
वैज्ञानिकों ने पहले सैद्धांतिक गणना और अन्य उच्च दबाव प्रयोगों के माध्यम से सुपरआयनिक बर्फ के अस्तित्व का प्रमाण प्राप्त किया है, लेकिन इस प्रयोग ने आगे पुष्टि की है कि यह सामग्री चरम स्थितियों में एक हेक्सागोनल क्लोज-पैक संरचना बना सकती है। शोधकर्ताओं का मानना है कि इस परिणाम का मतलब है कि बर्फ के विशाल ग्रहों की आंतरिक संरचना, संचालन तंत्र और भौतिक प्रवाह के कुछ मॉडलों को संशोधित करने की आवश्यकता हो सकती है।
इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यूरेनस और नेपच्यून के अंदर तापमान और दबाव की स्थिति पृथ्वी की सतह पर स्वाभाविक रूप से नहीं हो सकती है, इसलिए प्रयोगशाला में उच्च-वोल्टेज लेजर प्रयोग इन दूर की दुनिया का अध्ययन करने का एक महत्वपूर्ण साधन बन गए हैं। पृथ्वी पर ग्रहों के आंतरिक भाग का पुनर्निर्माण करके, वैज्ञानिक सीधे पदार्थ की उन स्थितियों का अध्ययन कर सकते हैं जो अंतरिक्ष यान के लिए दुर्गम हैं।
शोध के नतीजे फिजिकल रिव्यू लेटर्स में प्रकाशित किए गए हैं। ग्रह वैज्ञानिकों के लिए, हेक्सागोनल क्लोज-पैक्ड सुपरियोनिक बर्फ की पुष्टि से न केवल उन जटिल रूपों का पता चलता है जो पानी अत्यधिक परिस्थितियों में ले सकता है, बल्कि सौर मंडल में दो सबसे दूर के विशाल ग्रहों को समझने के लिए नया भौतिक आधार भी प्रदान करता है।
दूसरे शब्दों में, तथाकथित "2000 डिग्री सेल्सियस से अधिक बर्फ" का मतलब यह नहीं है कि बर्फ के टुकड़े सामान्य अर्थों में उच्च तापमान पर पिघलेंगे नहीं, बल्कि भारी दबाव के तहत गठित पदार्थ की एक पूरी तरह से नई अवस्था है। ऐसे वातावरण में, पानी उन ठोस, तरल और गैसीय व्यवहारों से पूरी तरह से अलग हो गया है जिनसे हम हर दिन परिचित हैं, और एक अजीब संरचना ले ली है जिसमें ऑक्सीजन परमाणु स्थिर हैं और हाइड्रोजन परमाणु स्वतंत्र रूप से चलते हैं। पदार्थ की ऐसी चरम अवस्थाएँ संभवतः अरबों किलोमीटर दूर यूरेनस और नेपच्यून की गहराई में छिपी हुई हैं।
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