კერძოდ, საუბარია საშუალო სიმკვრივის ამორფულ ყინულზე, რომელსაც, ჩვეულებრივი ყინულისგან განსხვავებით, თხევადი წყლის სიმკვრივე აქვს და ორგანიზებული მოლეკულური სტრუქტურა არ გააჩნია.
ამის ნაცვლად, იგი ამორფულია, ანუ მასში მოლეკულები ქაოსურადაა განლაგებული. ამორფული ყინული აქამდეც შექმნილა, თუმცა მას თხევად წყალთან შედარებით ბევრად მეტი ან ბევრად ნაკლები სიმკვრივე ჰქონდა ხოლმე. ახალი ტიპის ყინული მათი შუალედური ვარიანტია, რომლის სიმკვრივე წყლისას თითქმის ზუსტად შეესაბამება.
მკვლევართა ნაშრომს გამოცემა Science-ში გაეცნობით.
როგორ?
ბუნებაში წყლის გაყინვისას მისი მოლეკულები იმგვარად ლაგდება, რომ ორგანიზებული კრისტალური სტრუქტურა იქმნება. კრისტალური ყინული წყლის ერთ-ერთი უჩვეულო მახასიათებელია, ვინაიდან იგი მყარ მდგომარეობაში ნაკლებად მკვრივია და, ჩაძირვის ნაცვლად, თხევადი წყლის ზემოდან ტივტივებს. ეს იმით აიხსნება, რომ წყლის ყინულის კრისტალურ სტრუქტურაში შედარებით დიდი დაშორებებია, განსხვავებით სხვა მასალებისგან, რომლებიც კრისტალიზებისას უფრო მკვრივ სტრუქტურებს წარმოქმნის.
სათანადო მანიპულაციის შედეგად თხევადი წყალი არაორგანიზებულ, ანუ ამორფულ, მდგომარეობაშიც შეიძლება გაიყინოს. დაბალი სიმკვრივის ამორფული ყინული პირველად 1930-იან წლებში შექმნეს. იგი წყლის ორთქლის ძალიან ცივ ზედაპირზე დალექვით ფორმირდება. ეს კოსმოსში ბუნებრივად ხდება, ამიტომაც, შესაძლოა, სამყაროში ყველაზე გავრცელებული ტიპის ყინული სწორედ დაბალი სიმკვრივის ამორფული ყინული იყოს.
მკვლევრებმა 1980-იან წლებში აღმოაჩინეს, რომ მაღალი სიმკვრივის ამორფული ყინულის გაკეთებაც შეეძლოთ ჩვეულებრივი ყინულის ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე შეკუმშვით. მიუხედავად ამისა, საშუალო სიმკვრივის ამორფული ყინული აქამდე არავის შეუქმნია, სანამ კრისტოფ ზალცმანსა და მის კოლეგებს უჩვეულო იდეა არ დაებადათ — ყინულის დოლური ბურთულა სამსხვრეველათი დაფშვნა.
ამ დროს მასალა უჟანგავი ფოლადის ბურთულებიან კამერაში თავსდება და მანამ ინჯღრევა, სანამ ბოლომდე არ დაიფშვნება. დოლური ბურთულა სამსხვრეველა არაერთ ინდუსტრიაში გამოიყენება, ხოლო განსაკუთრებით ეფექტიანია ამორფული მასალებისა და გაყინული მასალებისაგან ფხვნილების დასამზადებლად.
საშუალო სიმკვრივის ამორფული ყინულის უჩვეულო მახასიათებლები
მკვლევრები ფიქრობდნენ, რომ სამსხვრეველა ყინულის კრისტალებს უბრალოდ პატარა კრისტალებად დაანაწევრებდა, თუმცა მათი მოლოდინი არ გამართლდა: ფოლადის ბურთულებმა ყინულის კრისტალები დაჭრა და შეკუმშა, შედეგად კი ისინი უწესრიგობის ახალი მდგომარეობაში აღმოჩნდა — მეცნიერებმა საშუალო სიმკვრივის ამორფული ყინული მიიღეს.
ომპიუტერულმა მოდელირებამ აჩვენა, რომ ყინულს თავდაპირველად მოწესრიგებული კრისტალური სტრუქტურა აქვს, წყალბადური ბმები კი ექვსკუთხედის ფორმითაა განლაგებული. სამსხვრეველათი მისი დაფშვნა ამას ცვლის, შედეგად კი ბმები არეულად, ზიგზაგისებურად ლაგდება და სხვადასხვა მხარესაა მიმართული.
ახალი ტიპის ყინული 77 კელვინზე, ანუ -196 გრადუს ცელსიუს ტემპერატურაზე, ფორმირდება. მისი სიმკვრივე 1.06 გ/სმ³-ს შეადგენს, ჩვეულებრივი წყლისა კი — 1 გ/სმ³-ს. ზალცმანის აზრით, მისი ერთ-ერთი უჩვეულო მახასიათებელი ისაა, რომ შეკუმშვისა და -120°C-ზე გათბობის შემდეგ რეკრისტალიზაციას განიცდის, ანუ ხელმეორედ კრისტალდება, და დიდი რაოდენობის სითბოს გამოყოფს.
“სხვა ფორმის [ამორფული] ყინულის შემთხვევაში, თუკი მათ შეკუმშავთ და წნევას შეამცირებთ, არაფერი მოხდება. მაგრამ MDA-ს [საშუალო სიმკვრივის ამორფულ ყინულს] რაღაცნაირად შეუძლია, მექანიკური ენერგია შეინახოს და იგი გათბობისას გამოყოს”, — აცხადებს ზალცმანი.
მისი თქმით, შესაძლოა, საშუალო სიმკვრივის ამორფული ყინული აირის გიგანტთა ყინულოვან მთვარეებზე ბუნებრივად ჩნდებოდეს — აქ უზარმაზარ პლანეტათა გრავიტაციული ძალები მთვარის ყინულს ანაწევრებს და კუმშავს. თუკი ეს მართლაც ასეა, შეიძლება, ამ ფორმით შენახულ მექანიკურ ენერგიას ამ მთვარეთა ტექტონიკაზეც ჰქონდეს გავლენა.
ზალცმანის აზრით, საშუალო სიმკვრივის ამორფული ყინული ზოგადად თხევადი წყლის უკეთ შესწავლაში დაგვეხმარება. იგი მრავალმხრივ უჩვეულო ნივთიერებაა: კრისტალური ფორმით ტივტივებს, დიდი ზედაპირული დაჭიმულობა, ასევე დნობისა და დუღილის მაღალი ტემპერატურები აქვს. მეცნიერები ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე წყლის ბუნებას კვლავ აქტიურად განიხილავენ, ზალცმანი კი მიიჩნევს, რომ საშუალო სიმკვრივის ამორფული ყინული ნებისმიერი ასეთი მსჯელობისას უნდა იქნეს გათვალისწინებული.
