हम आमतौर पर बर्फ को केवल ठंडा पानी, सरल, कठोर और ठंडा समझते हैं। लेकिन पानी वास्तव में "भेष बदलने का स्वामी" है। हालाँकि यह केवल दो परमाणुओं, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन से बना है, यह 20 से अधिक विभिन्न प्रकार की बर्फ बना सकता है, जिनमें से प्रत्येक की एक अद्वितीय आंतरिक संरचना होती है। कुछ बर्फ के रूप चिकने और परिचित होते हैं, जैसे घरेलू रेफ्रिजरेटर में साधारण बर्फ के टुकड़े; जबकि उच्च दबाव वाले वातावरण में जैसे कि पृथ्वी की गहराई में या दूर के उपग्रहों पर, कुछ अजीब "बर्फ चरण" दिखाई दे सकते हैं।
वैज्ञानिक एक सदी से भी अधिक समय से इन रहस्यमय बर्फ के प्रकारों की खोज कर रहे हैं, न केवल जिज्ञासा के लिए बल्कि यह समझने के लिए कि पानी विषम परिस्थितियों में कैसे व्यवहार करता है, जिसमें विदेशी जीवन भी शामिल हो सकता है।
पिछले शोध में नए प्रकार की बर्फ की खोज की गई है जैसे कि आइस XIX, जिसमें ऑक्सीजन परमाणु आइस XV की तरह ही व्यवस्थित होते हैं लेकिन हाइड्रोजन परमाणु अलग तरह से व्यवस्थित होते हैं। आइस VIIIt नामक एक नया बर्फ चरण भी है, जो मुख्य रूप से पृथ्वी की गहराई में या पानी से समृद्ध एक्सोप्लैनेट पर होता है, और बाद में इसे आइस एक्स के रूप में वर्गीकृत किया गया था।
हाल ही में, कोरिया इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड साइंस (KRISS) के वैज्ञानिकों ने एक बिल्कुल नए प्रकार की बर्फ की खोज की: आधिकारिक तौर पर इसे आइस XXI नाम दिया गया, इसकी संरचना पहले से ज्ञात किसी भी प्रकार से बिल्कुल अलग है।
उन्होंने कमरे के तापमान पर अत्यधिक संपीड़ित पानी के व्यवहार का निरीक्षण करने के लिए हीरे की निहाई और एक्स-रे लेजर से निर्मित एक शक्तिशाली प्रायोगिक उपकरण का उपयोग किया। अप्रत्याशित रूप से, इस दबाव सीमा में पानी सीधे बर्फ में नहीं जमता था, लेकिन कई फ्रीज-पिघलना चक्रों का अनुभव करता था, और अंततः बर्फ XXI का जन्म बर्फ VI की विशिष्ट दबाव सीमा में हुआ था।
आइस XXI में ऐसा क्या खास है? इसकी एक अद्वितीय परमाणु संरचना है जो वर्तमान में ज्ञात 20 से अधिक प्रकार की बर्फ से काफी भिन्न है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह एक "मेटास्टेबल अवस्था" प्रदर्शित करता है, यानी, यह अभी भी मूल रूप से अस्थिर वातावरण में कुछ समय के लिए मौजूद रह सकता है, जिससे शोधकर्ताओं को उच्च दबाव में बर्फ के निर्माण की प्रक्रिया का निरीक्षण करने का अवसर मिलता है। इस खोज से वैज्ञानिकों को बर्फीले ग्रह और गहरी पृथ्वी के भौतिक वातावरण को समझने में मदद मिलने की उम्मीद है।
KRISS के वैज्ञानिक ग्यून वू ली ने बताया, "पानी को तेजी से संपीड़ित करने से यह उच्च दबाव पर तरल बना रहता है, जहां इसे बर्फ VI में बदल जाना चाहिए था।"
अनुसंधान दल ने उच्च दबाव बनाने के लिए हीरे की निहाई का उपयोग किया, अत्यंत शुद्ध पानी के नमूनों पर प्रयोग किए, और सामान्य तापमान पर बर्फ के जमने और पिघलने की प्रक्रियाओं का निरीक्षण करने के लिए उच्च गति वाले कैमरे, लेजर सेंसर और वास्तविक समय निगरानी उपकरणों का उपयोग किया। दबाव को समायोजित करके, संरचनात्मक परिवर्तनों को कैप्चर करके, और पानी के अणुओं के भीतर परिवर्तनों का विश्लेषण करने के लिए रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके, पानी के जमने के हर पल को रिकॉर्ड किया गया। सूक्ष्म रूबी क्रिस्टल की प्रतिदीप्ति का उपयोग दबाव को सटीक रूप से मापने के लिए किया जाता है।
वैज्ञानिक सटीक क्षण का निरीक्षण करने के लिए, जब पानी "असामान्य बर्फ" बनता है, उच्च परिशुद्धता डिटेक्टरों और विश्लेषण कार्यक्रमों के साथ मिलकर सिंक्रोट्रॉन विकिरण के शक्तिशाली एक्स-रे बीम का भी उपयोग करते हैं। बर्फ की जमने की लय को बेहतर ढंग से मिलाने के लिए, दबाव को अनियमित त्रिकोणीय लय में लागू किया जाता है। दो प्रकार के डिटेक्टरों ने एक साथ क्रमशः 560,000 बार प्रति सेकंड और 10 बार प्रति सेकंड पर प्रायोगिक डेटा कैप्चर किया, जिससे उन्हें पानी के बर्फ में बदलने के "छिपे हुए नृत्य" को चित्रित करने की अनुमति मिली।
आणविक गतिशीलता सिमुलेशन में दो मॉडल, SPCfw और TIP4P/Ice का उपयोग किया गया। टीआईपी4पी/बर्फ मूल रूप से अपरिवर्तित कोण और बंधन लंबाई के साथ कठोर पानी के अणुओं का प्रतिनिधित्व करता है, और उच्च दबाव वाली बर्फ के अध्ययन के लिए बहुत उपयुक्त है; SPCfw मॉडल अधिक लचीला है और अत्यधिक उच्च दबाव के तहत अणुओं के बीच हाइड्रोजन बांड के झुकने और खिंचाव का अनुकरण कर सकता है। दोनों के सिमुलेशन रुझान मूल रूप से प्रयोगात्मक परिणामों के अनुरूप और सुसंगत हैं।
अत्यधिक संपीड़ित कमरे के तापमान वाले पानी में, वैज्ञानिकों ने पाया कि पानी एक चरण में नहीं जमता है, बल्कि कई बर्फ-पानी चक्रों से गुजरता है, जो अंततः बर्फ VI के रूप में जाना जाता है। इस दबाव सीमा (लगभग 1.6GPa) में, उन्होंने बर्फ XXI की खोज की, जिसकी क्रिस्टल संरचना शरीर-केंद्रित टेट्रागोनल है।
आइस XXI बहुत खास है: हालांकि इसकी ऊर्जा कमरे के तापमान पर MS-Ice VII से अधिक है और इसकी स्थिरता कम है, अंतर बड़ा नहीं है। अधिक दिलचस्प बात यह है कि केवल आइस XXI को MS-Ice VII में परिवर्तित किया जा सकता है, लेकिन साधारण पानी सीधे इस परिवर्तन को पूरा नहीं कर सकता है। हालाँकि, यदि पानी को MS-Ice VII के साथ मिलाया जाता है, तो दोनों को उच्च दबाव में बर्फ VI में परिवर्तित किया जा सकता है।
यूरोप के एक्सएफईएल के शक्तिशाली एक्स-रे लेजर का उपयोग करके वैज्ञानिकों ने पता लगाया है कि पानी जमने पर कम से कम पांच अलग-अलग तरीकों से विकसित होता है, यहां तक कि कमरे के तापमान पर भी।
ग्यून वू ली ने बताया, "यूरोपीय एक्सएफईएल के अद्वितीय एक्स-रे पल्स का उपयोग करके, हमने खुलासा किया कि एच2ओ तेजी से संपीड़न और डीकंप्रेसन के दौरान एक हजार से अधिक बार कई क्रिस्टलीकरण मार्गों से गुजर सकता है।"
अनुसंधान दल के एक सदस्य राचेल हस्बैंड ने कहा, "इन निष्कर्षों से संकेत मिलता है कि उच्च तापमान मेटास्टेबल बर्फ चरण और इसका परिवर्तन पथ पिछले ज्ञान से कहीं अधिक हो सकता है, और बर्फीले उपग्रहों की सामग्री संरचना की हमारी समझ में नए खुलासे होने की उम्मीद है।"
प्रासंगिक शोध "नेचर मटेरियल्स" में प्रकाशित किया गया है।