Cum se comportă apa sub presiune

Folosind tehnici revoluţionare, o echipă condusă de Malcolm Guthrie de la Institutul pentru Ştiinţă Carnegie a făcut o descoperire uimitoare despre modul în care se comportă gheaţa sub presiune, schimbând idei care datează de aproape 50 de ani.

Concluziile lor ar putea modifica înţelegerea noastră despre modul cum molecula de apă se comportă în condiţiile specifice din interiorul planetelor şi ar putea avea implicaţii pentru ştiinţa energiei. Activitatea lor este publicată în cadrul dezbaterilor Academiei Naţionale pentru Ştiinţe (Proceedings of the National Academy of Sciences).

În imagine este un fragment al structurii cristaline a gheții în care atomii de oxigen sunt albaştri și atomii de hidrogen molecular roz. Atomii de hidrogen care au fost scoşi din moleculele de apă sunt coloraţi auriu. Aceştia par a se localiza în spaţiul gol al reţelei poliedrice formată din atomii de oxigen (una dintre acestea este umbrită gri deschis). Anterior, s-a crezut că aceste spatii libere rămân chiar și după ce molecula de apă se rupe la presiuni enorme.
Credit: Laboratorului Naţional din Oak Ridge

Atunci când apa se transforma în gheaţă, moleculele sale sunt legate împreună într-o structură cristalină prin intermediul legăturilor de hidrogen. Legăturile de hidrogen sunt extrem de versatile și, ca urmare, gheața cristalină prezintă o diversitate remarcabilă de cel puțin 16 structuri diferite.

În toate aceste forme de gheaţă, molecula simplă de H₂O este blocul universal de construcţie. Cu toate acestea, încă din anul 1964 s-a prezis că, supuse unei presiuni suficiente, legăturile de hidrogen s-ar putea întări până la punctul în care acestea ar putea rupe molecula de apă. Posibilitatea de a observa direct o moleculă de apă disociată în gheaţă s-a dovedit a fi o momeală fascinantă pentru oamenii de știință și a condus la cercetări extinse în ultimii 50 de ani. La mijlocul anilor 1990, mai multe echipe, printre care  şi cea de la Institutul pentru Ştiinţă Carnegie, au observat această tranziţie folosind tehnici spectroscopice. Cu toate acestea, aceste tehnici sunt indirecte și ar putea dezvălui doar o parte a realităţii.

O metodă preferată este de a „vedea" atomii de hidrogen sau protonii, în mod direct. Acest lucru poate fi realizat prin bombardarea atomilor din gheata cu neutroni şi măsurând apoi cu atenție modul în care aceştia sunt împrăştiaţi. Totuși, aplicarea acestei tehnici, la presiuni suficient de mari, pentru a vedea molecula de apă disociată, nu a fost posibilă în trecut. Guthrie a explicat că: „se pot atinge aceste presiuni extreme numai în cazul în care probele de gheaţă sunt foarte mici. Dar, din păcate, acest lucru face ca atomii de hidrogen să fie foarte greu de văzut."

Sursa de neutroni Spallation a fost inaugurată în anul 2006 la Laboratorul Naţional din oraşul Oak Ridge aflat în statul Tennessee, oferind o nouă şi intensă sursă de neutroni. Prin proiectarea unei noi clase de instrumente care au fost optimizate pentru a exploata acesta sursă de neegalat de neutroni, Guthrie şi echipa sa de la Carnegie: Russell Hemley, Reinhard Boehler şi Kuo Li, precum şi Chris Tulk, Jamie Molaison şi António dos Santos de la Laboratorul Naţional Oak Ridge a obţinut prima imagine a atomilor de hidrogen în gheaţă la presiuni fără precedent de peste 500.000 de ori presiunea atmosferică.

„Neutronii ne spun o poveste pe care alte tehnici nu o pot face" a declarat Hemley, director al Laboratorului de Geofizica Carnegie. „Rezultatele indică faptul că disocierea moleculelor de apă urmează două mecanisme diferite. Unele dintre molecule încep să se disocieze la presiuni mult mai mici și într-un mod diferit decât a fost prezis în anul 1964."

„Datele noastre prezintă o imagine cu totul nouă a gheții", a comentat Guthrie. „Nu doar fac ca rezultatele să aibă consecinţe importante pentru înţelegerea legăturilor din molecula de H2O, observaţiile pot sprijini, de asemenea, o teorie propusă anterior că protonii din gheaţă în interiorul planetelor pot fi mobili chiar în timp ce gheaţa rămâne solidă."

Şi această descoperire uimitoare se poate dovedi a fi doar începutul unei descoperiri ştiinţifice. Tulk a menţionat că „posibilitatea de a „vedea"' hidrogenul cu ajutorul neutronilor nu este importantă doar pentru studiile gheţii. Aceasta este o descoperire tehnică. Aplicaţiile ei s-ar putea extinde la sistemele care sunt critice pentru provocările societăţii, cum ar fi energia. De exemplu, tehnica poate conduce la o mai bună înţelegere a metanului conţinând hidraţi de clatrat şi chiar a materialelor de stocare a hidrogenului care ar putea într-o zi alimenta automobilele."