„Gheața spațială” este mai puțin asemănătoare cu apa decât credeam

„Gheața spațială” conține cristale minuscule și nu este, așa cum se credea anterior, un material complet dezordonat precum apa lichidă, arată un nou studiu realizat de cercetători de la University College London (UCL) și Universitatea din Cambridge (Anglia).

Gheața spațială este diferită de forma cristalină (adică foarte ordonată) a gheții întâlnite pe Pământ. Timp de decenii, oamenii de știință au presupus că această gheață este amorfă (fără structură definită), deoarece temperaturile extrem de scăzute nu i-ar permite să formeze cristale atunci când îngheață.

• Universul invizibil dezvăluie noi indicii despre materia întunecată
• De ce ni se pare că luna decembrie „vine mai devreme” în fiecare an?

În noul studiu, publicat în revista Physical Review B, cercetătorii au analizat cea mai răspândită formă de gheață din Univers: gheața amorfă cu densitate redusă. Aceasta este întâlnită în cantități mari în comete, pe sateliți naturali înghețați și în norii de praf unde se nasc stelele și planetele.

Cum arată, de fapt, gheața spațială?

Simulările pe calculator au arătat că structura acestei gheți se potrivește cel mai bine cu datele experimentale existente doar dacă ea nu este complet amorfă, ci conține cristale minuscule, de aproximativ 3 nanometri, puțin mai late decât o spirală de ADN, încorporate într-o rețea dezordonată.

În paralel, cercetătorii au desfășurat și experimente reale, încălzind ușor mostre de gheață amorfă formate în moduri diferite, pentru a le forța să se recristalizeze. Rezultatul: structura finală a cristalului varia în funcție de modul în care se formase inițial gheața. Dacă aceasta ar fi fost complet amorfă, nu ar fi păstrat nicio amprentă a formei sale anterioare.

„Acum avem o imagine clară a ceea ce reprezintă, la nivel atomic, cea mai comună formă de gheață din Univers. Iar acest lucru este esențial, deoarece gheața are un rol important în procese cosmologice majore, de la formarea planetelor până la dinamica galaxiilor și circulația materiei în Univers”, a declarat dr. Michael B. Davies, autorul principal al studiului, care a realizat cercetarea în timpul doctoratului său la UCL și Universitatea din Cambridge.

O teorie despre apariția vieții pe Terra

Descoperirile au și implicații pentru o teorie speculativă legată de originea vieții pe Pământ, teoria Panspermiei, potrivit căreia elementele de bază ale vieții ar fi fost aduse de o cometă compusă din gheață amorfă, care ar fi funcționat ca vehicul de transport pentru aminoacizi simpli.

„Rezultatele noastre sugerează că această gheață spațială nu este un mediu ideal pentru a transporta moleculele care stau la baza vieții. Structura sa parțial cristalină lasă mai puțin spațiu în care aceste ingrediente ar putea fi încorporate. Totuși, teoria rămâne validă, deoarece gheața conține și zone complet amorfe, unde aceste molecule s-ar putea stoca”, a adăugat dr. Davies.

„Gheața de pe Pământ este o ciudățenie cosmologică datorită temperaturilor noastre ridicate. Simetria fulgilor de zăpadă reflectă natura sa ordonată. Gheața din restul Universului a fost considerată mult timp o ‘fotografie înghețată’ a apei lichide, adică o structură dezordonată blocată în timp. Studiul nostru arată că lucrurile nu stau chiar așa”, a declarat prof. Christoph Salzmann, coautor al studiului și cercetător la UCL Chemistry.

Gheața spațială și alte materiale amorfe

Rezultatele ridică și noi întrebări despre natura materialelor amorfe în general. Astfel de materiale sunt esențiale pentru tehnologiile moderne; de exemplu, fibrele de sticlă folosite în telecomunicații trebuie să fie amorfe pentru a funcționa eficient. Dacă aceste materiale conțin cristale minuscule care pot fi eliminate, performanța lor ar putea crește.

Pentru simulări, cercetătorii au folosit două modele virtuale ale apei. Au „înghețat” aceste „cutii” de molecule de apă la -120°C cu viteze diferite de răcire. Răcirea lentă a produs un amestec de gheață cristalină și amorfă în proporții variabile.

Cea mai bună potrivire cu structura gheții amorfe observate în experimente a fost obținută când simularea a produs gheață în proporție de 20% cristalină și 80% amorfă. O altă simulare, cu cristale mici apropiate și regiuni intermediare dezordonate, a produs un rezultat similar.

În experimentele reale, echipa a creat mostre de gheață amorfă cu densitate redusă folosind mai multe metode, inclusiv prin condensarea vaporilor de apă pe o suprafață extrem de rece (imitând formarea gheții pe boabe de praf interstelar) sau prin încălzirea lentă a gheții amorfe cu densitate mare (gheață comprimată la temperaturi foarte scăzute).

Ce putem învăța studiind gheața?

După ce au încălzit ușor aceste mostre, cercetătorii au observat diferențe în structura finală a cristalelor, în special în proporția moleculelor aranjate în structuri hexagonale (în șase colțuri). Aceste variații sugerează că gheața amorfă cu densitate redusă păstrează urme ale formei sale inițiale, ceea ce nu s-ar întâmpla dacă ar fi fost complet dezordonată.

Studiul deschide noi întrebări: pot varia dimensiunile cristalelor în funcție de modul în care s-a format gheața? Este posibilă existența unei gheți complet amorfe?

Gheața amorfă cu densitate redusă a fost descoperită în anii 1930, prin condensarea vaporilor de apă pe o placă metalică la -110°C. Forma sa cu densitate mare a fost identificată în anii 1980, când gheața obișnuită a fost comprimată la aproape -200°C.

În 2023, aceeași echipă de cercetători de la UCL și Cambridge a descoperit și o formă de gheață amorfă cu densitate medie, cu o densitate egală cu cea a apei lichide, ceea ce înseamnă că nu ar pluti și nici nu s-ar scufunda în apă.

„Apa este fundamentul vieții, dar încă nu o înțelegem pe deplin. Ghețurile amorfe ar putea deține cheia pentru a explica multe dintre anomaliile sale”, a concluzionat profesorul Angelos Michaelides, coautor din partea Universității din Cambridge.

„Gheața are un potențial imens ca material performant în spațiu: ar putea proteja navele spațiale de radiații sau oferi combustibil sub formă de hidrogen și oxigen. De aceea este esențial să înțelegem toate formele și proprietățile sale”, a adăugat dr. Davies, citat de Eurek Alert.

Vă recomandăm să citiți și:

Astronomii au fotografiat o stea care a explodat nu o dată, ci de două ori

Care a fost prima specie care a călătorit în jurul Lunii? Nu a fost omul!

Într-o premieră științifică, fizicienii au surprins lumina în „timpul imaginar”

Rotația Pământului accelerează în iulie și august. Cât de scurte vor fi zilele?