ΤΙ ΠΙΟ ΚΟΙΝΟ, τι πιο συνηθισμένο από το νερό; Ειδικά στις ανεπτυγμένες κοινωνίες είναι τόσο συνηθισμένο που πλέον το θεωρούμε αυτονόητο. Κι όμως, το νερό είναι ένα από τα πιο παράξενα υλικά του σύμπαντος, που μας επιτρέπει να υπάρχουμε.
Μία από τις «παραξενιές» του είναι η αύξηση της πυκνότητάς του όταν παγώνει. Χάρη σε αυτήν του την ιδιότητα επιπλέει στη θάλασσα και στο ακραίο ψύχος λειτουργεί ως ένα προστατευτικό κέλυφος για τα πλάσματα του βυθού. Αν δεν συνέβαινε αυτό, ο κόσμος μας θα ήταν τελείως διαφορετικός.
Αυτή η μορφή του ονομάζεται κρυσταλλικός πάγος. Υπάρχει, όμως, και ένα άλλο είδος παγωμένου νερού που ονομάζεται άμορφος πάγος και μπορεί να είναι είτε χαμηλής είτε υψηλής πυκνότητας.
Το υγρό νερό είναι ένα πολύ παράξενο υγρό στην πραγματικότητα. Είμαστε όλοι πολύ εξοικειωμένοι με αυτό, είναι παντού γύρω μας. Αλλά, αν δούμε τα υπόλοιπα υγρά, θα καταλάβουμε ότι συμπεριφέρεται πολύ περίεργα. Υπάρχουν πολλές «ανωμαλίες» που ακόμα δεν τις καταλαβαίνουμε πλήρως.
Ο Christoph G. Salzmann, καθηγητής Φυσικοχημείας και Χημείας Υλικών στο τμήμα Χημείας του University College London (UCL), μαζί με τους Alexander Rosu-Finsen, Michael b. Davies, Alfred Amon, Han Wu, Andrea Sella και Angelos Michaelidis, ανακάλυψε ότι υπάρχει και ένα άλλο είδος άμορφου πάγου, άγνωστο μέχρι πρότινος, που το ονόμασαν MDA.
Ο MDA ή medium-density amorphous ice είναι ο άμορφος πάγος μέσης πυκνότητας. Ο καθηγητής Salzmann μίλησε αποκλειστικά στη LiFO, εξηγώντας μας τι ανακάλυψαν και πώς συνδέεται με όσα ξέρουμε για το υγρό νερό. Ήταν, και είμαι βέβαιος ότι συνεχίζει να είναι, ενθουσιασμένος με την ανακάλυψή τους – και δικαίως.
— Γνωρίζουμε ότι το νερό γίνεται πάγος σε χαμηλές θερμοκρασίες. Όμως εσείς πετύχατε να δημιουργήσετε μια νέα μορφή πάγου.
Βασικά, κάναμε ένα απλό πείραμα. Πήραμε ένα μικρό μεταλλικό δοχείο και βάλαμε μέσα κανονικό πάγο, αυτόν με τον οποίο είμαστε όλοι εξοικειωμένοι, αλλά προσθέσαμε και κάτι άλλο πολύ σημαντικό, κάποιες ατσάλινες μπάλες. Αυτό το μείγμα το ανακινήσαμε πολύ δυνατά στους -200ºC.
Κάπως αφελώς υποθέταμε ότι θα φτιάξουμε πολύ μικρούς κρυστάλλους πάγου. Αυτή ίσως να ήταν η πρόβλεψη που θα έκαναν οι περισσότεροι ερευνητές. Παρ' όλα αυτά, δεν βρήκαμε ακριβώς αυτό, αλλά νέο είδος άμορφου πάγου!
Οπότε οι παγοκρύσταλλοι, η διάταξή τους, είχε τελείως καταστραφεί. Ταυτόχρονα, η πυκνότητα του πάγου είχε αυξηθεί, άλλο ένα αναπάντεχο αποτέλεσμα του πειράματός μας!
— Απ’ ό,τι διάβασα, αυτό το ονομάσατε medium-density amorphous ice (MDA), που στα ελληνικά θα το μεταφράζαμε ως μέσης πυκνότητας άμορφο πάγο. Οπότε υπάρχει και κάποια άλλη μορφή πάγου, πέρα από αυτή με την οποία είμαστε εξοικειωμένοι;
Υπάρχει η κρυσταλλική μορφή, όπου τα μόρια είναι αυστηρά ταξινομημένα δημιουργώντας τη γνωστή σε όλους μας μορφή πάγου. Άμορφος σημαίνει ότι δεν έχει καμία κρυσταλλική δομή, μοιάζει λίγο με υγρό. Για τον άμορφο πάγο αυτό που ξέραμε είναι ότι υπάρχουν δύο είδη: χαμηλής πυκνότητας και υψηλής πυκνότητας.
Και ήταν μια μάλλον κοινή παραδοχή στην επιστημονική κοινότητα ότι δεν υπήρχε τίποτα ενδιάμεσο. Αυτό που ανακαλύψαμε τελικά εμείς είναι ότι όντως υπάρχει και το ονομάσαμε MDA. Να σημειώσω επίσης ότι ο άμορφος πάγος χαμηλής πυκνότητας είναι η πιο συνήθης μορφή πάγου σε όλο το σύμπαν.
— Σε ποιες συνθήκες δημιουργείται ο άμορφος πάγος χαμηλής πυκνότητας;
Στο Διάστημα δημιουργείται σε συνθήκες πολύ χαμηλής θερμοκρασίας και πολύ χαμηλής πίεσης.
— Και πώς μοιάζει ο άμορφος πάγος που δημιουργήσατε εσείς;
Με σκόνη. Όλα τα είδη του πάγου, είτε άμορφα είτε κρυσταλλικά, είναι λευκά. Κοιτώντας τα μπορεί να μην καταλάβεις καν τη διαφορά. Αλλά οι φυσικές ιδιότητες του άμορφου πάγου είναι πολύ διαφορετικές σε σχέση με αυτές του συνήθους.
— Ποιες είναι αυτές οι διαφορές;
Όταν, για παράδειγμα, ζεσταίνεται απελευθερώνει μεγάλη ποσότητα θερμότητας. Αν τον θερμάνεις σε κανονική πίεση, επανέρχεται στην κρυσταλλική μορφή. Και σ’ αυτή του τη μετάβαση απελευθερώνει πάρα πολλή θερμότητα.
— Οι δεσμοί μεταξύ των μορίων του νερού έχουν καταστραφεί στον άμορφο πάγο;
Οι δεσμοί υδρογόνου έχουν αλλοιωθεί. Δεν έχουν καταστραφεί.
— Κάνατε κάποιο άλλο πείραμα και τελικά πήρατε αυτό το αποτέλεσμα; Γιατί διάβασα ότι δεν ήταν αυτός ο κεντρικός σας σκοπός.
Όχι, απλώς είχαμε τα εργαλεία στο εργαστήριο για να κάνουμε τέτοιου είδους πειράματα. Και μια μέρα είπαμε «ας δοκιμάσουμε και με τον πάγο». Είχαμε δοκιμάσει με διάφορα άλλα υλικά, αλλά ποτέ με πάγο, και είχαμε αυτό το ανέλπιστο αποτέλεσμα. Οπότε ήταν ένα από εκείνα τα πειράματα του τύπου «ας το κάνουμε και ας δούμε τι θα γίνει».
— Τι σχέση έχει αυτός ο άμορφος πάγος με αυτό που λέμε «υαλώδη κατάσταση του υγρού νερού» (σ.σ. στερεή, μη κρυσταλλική κατάσταση);
Αυτό είναι το μεγάλο μας ερώτημα. Όταν δημιουργήσαμε τον MDA, κάναμε κάποιες μετρήσεις πυκνότητας και βρήκαμε κάτι πολύ ενδιαφέρον: η πυκνότητά του είναι πολύ παρόμοια με την πυκνότητα του υγρού νερού.
Οπότε οι δεσμοί υδρογόνου είναι αλλοιωμένοι και η πυκνότητά του παρόμοια με του υγρό νερό. Είναι, λοιπόν, απλώς υγρό νερό σε πάρα πολύ χαμηλή θερμοκρασία; Αυτή η ερώτηση πρέπει να ξεκαθαριστεί και αυτό είναι το συναρπαστικό σε αυτή μας την ανακάλυψη. Γιατί αν καταλάβουμε τι είναι πραγματικά ο MDA, υπάρχει η πιθανότητα να καταλάβουμε επιτέλους και τι είναι το υγρό νερό.
Το υγρό νερό είναι ένα πολύ παράξενο υγρό στην πραγματικότητα. Είμαστε όλοι πολύ εξοικειωμένοι με αυτό, είναι παντού γύρω μας. Αλλά αν δούμε τα υπόλοιπα υγρά, θα καταλάβουμε ότι συμπεριφέρεται πολύ περίεργα. Υπάρχουν πολλές «ανωμαλίες» που ακόμα δεν τις καταλαβαίνουμε πλήρως.
— Θα θέλατε να μας δώσετε κάποιο παράδειγμα;
Όσο περισσότερο συμπιέζεις ένα υγρό, συνήθως τόσο πιο σκληρό γίνεται, πράγμα που δεν είναι δύσκολο να καταλάβουμε. Αυτό, όμως, δεν συμβαίνει με το νερό. Αρχίζεις να το συμπιέζεις και κάποια στιγμή η διαδικασία γίνεται ολοένα ευκολότερη.
Επίσης, αν ψύξεις το νερό, υπάρχει ένα σημείο μετά από το οποίο σταματά να επεκτείνεται. Αντίθετα, αν ψύξεις ένα οποιοδήποτε άλλο υγρό, αυτό διαρκώς συρρικνώνεται.
— Οπότε, η μετατροπή σε αυτήν τη μορφή πάγου είναι μια αποκλειστική ιδιότητα του νερού ή μπορούμε να τη βρούμε και σε άλλα υλικά;
Νομίζω ότι είναι μια ιδιότητα αποκλειστικά του νερού.
— Μπορούμε να τη βρούμε στη Γη κάπου ή σε άλλους πλανήτες;
Πρώτα απ’ όλα, να εξηγήσω τον λόγο που δημιουργήσαμε τη συγκεκριμένη πειραματική διάταξη. Αυτό που κάνουν οι μπάλες μέσα στο μεταλλικό δοχείο όπου διεξήχθη το πείραμα είναι να προσομοιώνουν κάποιες ισχυρές δυνάμεις που θα μπορούσαν να ασκηθούν και με άλλους τρόπους πάνω στο υλικό.
Δημιουργείς αναστάτωση, εξαρθρώνεις το ένα μόριο από το άλλο, μετατοπίζεις τη θέση του σε σχέση με ένα άλλο καθώς πέφτει πάνω στους κρυστάλλους η ατσαλένια μπάλα. Το ίδιο δείξαμε με προσομοιώσεις σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Όσο ασκείς ισχυρές δυνάμεις πάνω στο υλικό, ακόμα και ψηφιακά παίρνεις το ίδιο είδος πάγου, τον MDA.
Ισχυρές δυνάμεις έχουμε και στα παγωμένα φεγγάρια του ηλιακού μας συστήματος. Ο πάγος στους δορυφόρους των αέριων γιγάντων, όπως ο Δίας ή ο Κρόνος, υφίσταται ισχυρή βαρυτική έλξη από τους αντίστοιχους πλανήτες. Οπότε πιστεύουμε ότι ο MDA μπορεί να βρεθεί και εκεί, μέσα στα παγωμένα χοντρά κελύφη κάποιων φεγγαριών.
— Τι τεχνολογικές εφαρμογές θα μπορούσε να έχει αυτό;
Δουλεύουμε στους -200ºC, σε πάρα πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Δεν νομίζω ότι μπορεί να υπάρξει κάποια εμπορική εφαρμογή. Θα μπορούσαμε να αξιοποιήσουμε ίσως τον MDA για πάγο σε ποτά ή κάτι τέτοιο. (γέλια)
Νομίζω ότι θα 'ναι δύσκολο. Είναι μια θεμελιωδώς επιστημονική ανακάλυψη. Ίσως υπάρχει μια εφαρμογή στη Γεωλογία. Δεν αναμένω, όμως, κάποια πώληση του υλικού στο άμεσο μέλλον.
— Οπότε είναι κάτι που συνεισφέρει κυρίως στη γνώση μας;
Νομίζω ότι βοηθάει να κατανοήσουμε την περίεργη συμπεριφορά του υγρού νερού. Αυτή είναι η μία πλευρά. Η άλλη είναι σε σχέση με την κατανόησή των παγωμένων φεγγαριών, όπως προανέφερα, στο ηλιακό μας σύστημα. Ίσως μέσω του MDA να κατανοήσουμε τη γεωλογία των παγωμένων αυτών δορυφόρων.
