کشف حالت عجیب ماده در هسته زمین؛ جامدی که مثل مایع رفتار میکند
دانشمندان ژاپنی برای نخستین بار در شرایط آزمایشگاهی فشار و دمای فوقالعاده بالا، شواهد مستقیمی از حالت «ابریونی» در آلیاژ هیدرید آهن به دست آوردند؛ حالتی که در آن شبکه آهن جامد باقی میماند اما هیدروژن مانند یک مایع آزادانه درون آن جریان مییابد. به گزارش پایگاه خبری آذرنگار به نقل از مؤسسه علم و […]
دانشمندان ژاپنی برای نخستین بار در شرایط آزمایشگاهی فشار و دمای فوقالعاده بالا، شواهد مستقیمی از حالت «ابریونی» در آلیاژ هیدرید آهن به دست آوردند؛ حالتی که در آن شبکه آهن جامد باقی میماند اما هیدروژن مانند یک مایع آزادانه درون آن جریان مییابد.
به گزارش پایگاه خبری آذرنگار به نقل از مؤسسه علم و فناوری توکیو (Science Tokyo)، پژوهشگران این مرکز در دستاوردی بنیادین که در ژورنال بینالمللی Nature Geoscience منتشر شده است، پرده از رفتار مرموز ماده در اعماق غیرقابل دسترس زمین برداشتند.
هسته داخلی زمین که عمدتاً از آهن به همراه مقادیر کمی از عناصر سبکتر مانند هیدروژن، اکسیژن و کربن تشکیل شده، تحت فشار و دمای سرسامآوری قرار دارد. پیش از این، شبیهسازیهای دینامیک مولکولی پیشبینی میکردند که این شرایط آلیاژها را وارد حالتی موسوم به «ابریونی» (Superionic State) میکند؛ اما تاکنون هیچ شواهد تجربی و آزمایشگاهی مستقیمی برای این پدیده وجود نداشت.
آزمایش با سندان الماسی و گرمایش لیزری
تیم پژوهشی به سرپرستی پروفسور کنجی اوهتا (Kenji Ohta) به همراه دانشجویان دکتری، یوشیهیرو ناگایا و یوسوکه اوکازاکی، نمونههای میکروسکوپی هیدرید آهن با ساختار مکعبی با وجوه پر (fcc FeHXfcc\text{ FeH}_X) را درون یک «سلول سندان الماسی» تا فشارهای بین ۵۰ تا ۱۱۰ گیگاپاسکال فشرده و با پرتوهای لیزر تا دماهای فراتر از ۲۰۰۰ کلوین حرارت دادند.
پژوهشگران با بهرهگیری از تکنیک پراش اشعه ایکس سینکروترون زمانواقعی (Synchrotron XRD)، تحولات شبکه کریستالی ماده را ثبت کردند:
- در دمای حدود ۱۵۹۰ کلوین، یک ناهنجاری لاندا-شکل (λ\lambda-shaped anomaly) در ضریب انبساط حرارتی مشاهده شد که نشانه کلاسیک گذار فازی به حالت ابریونی است.
- با اعمال ولتاژ الکتریکی در شرایط فشار و دمای بالا، هیدروژن در یک راستا بازآرایی و جابهجا شد که اثبات مستقیمی از تحرک بسیار بالای هیدروژن (ضریب نفوذ حدود ۱۰۳ μm2/s10^3\ \mu\text{m}^2/\text{s}) در شبکه جامد آهن بود.
حل معمای امواج لرزهای و تاریخچه زمین
این تحرک شدید اتمهای هیدروژن باعث نرم شدن آلیاژ در برابر تنشهای برشی میشود؛ عاملی کلیدی که معمای دیرینه کاهش سرعت امواج برشی لرزهای (Sheismic Shear Waves) در هسته داخلی زمین را پس از دههها توضیح میدهد.
از سوی دیگر، دانشمندان محاسبه کردند که به دلیل ماهیت ساختار هسته و میدان ژئومغناطیسی زمین، هیدروژن در طول ۱۰ هزار سال تنها حدود ۰.۱ میکرومتر جابهجا میشود. این بدان معناست که هیدروژنی که در بدو پیدایش سیاره به دام افتاده، در مقیاسهای زمانی زمینشناسی در هسته باقی میماند و اطلاعات بکری از تکامل اولیه زمین در خود حفظ کرده است.