Crystallization of pristine cubic ice from liquid at ambient pressure
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि मेसोपोरस सिलिका के भीतर सीमित एक हाइड्रेट बनाने वाले जलीय घोल को ठंडा करके वायुमंडलीय दबाव पर सीधे तरल अवस्था से शुद्ध क्यूबिक आइस (Ic) को पुनरुत्पादक रूप से निर्मित किया जा सकता है, जो यह प्रकट करता है कि नैनो-कन्फाइनमेंट और क्लैथरेट प्रमोटर इस पहले से मायावी पॉलीमॉर्फ के लिए एक स्वाभाविक रूप से सुलभ मार्ग को सक्षम करते हैं।
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पानी पृथ्वी पर सबसे परिचित पदार्थों में से एक है, फिर भी इसमें एक ऐसा रहस्य छिपा है जिसने दशकों से वैज्ञानिकों को उलझा रखा है। जब पानी जमता है, तो यह आमतौर पर एक विशिष्ट, व्यवस्थित आकार में बदल जाता है जिसे हेक्सागोनल (षट्कोणीय) बर्फ के रूप में जाना जाता है। यह वही बर्फ है जिसे हम बर्फ के फाहे (स्नोफ्लेक), ग्लेशियरों और अपने फ्रीजर में देखते हैं। हालाँकि, पानी के अणु स्वयं को एक अलग, दुर्लभ आकार में भी व्यवस्थित कर सकते हैं जिसे क्यूबिक (घनाकार) बर्फ कहा जाता है। लंबे समय तक, वैज्ञानिक इस बात पर बहस करते रहे कि क्या यह क्यूबिक रूप तरल पानी से स्वाभाविक रूप से कभी प्रकट हो सकता है या यह केवल विभिन्न आकारों का एक क्षणभंगुर, अव्यवस्थित मिश्रण है जो जल्दी से सामान्य हेक्सागोनल प्रकार में बदल जाता है। यह प्रश्न महत्वपूर्ण था क्योंकि यदि शुद्ध क्यूबिक बर्फ आसानी से बन सकती है, तो यह किसी के भी अनुमान से कहीं अधिक वायुमंडल और गहरे अंतरिक्ष में आम हो सकती है, जो मौसम के पैटर्न और धूमकेतुओं की संरचना के बारे में हमारी समझ को बदल सकती है।
शोधकर्ताओं के एक दल ने अब इस मायावी क्यूबिक बर्फ को सामान्य वायु दाब पर, अत्यधिक ठंड या उच्च दबाव की आवश्यकता के बिना, सीधे तरल पानी से प्रकट करने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने ऐसा पानी के मिश्रण और एक विशिष्ट कार्बनिक रसायन को सिलिका नामक पदार्थ के भीतर छोटे, स्पंज जैसे छिद्रों में फँसाकर किया। सिलिका एक कंटेनर की तरह कार्य करता है जिसमें लाखों सूक्ष्म सुरंगें होती हैं, जिनमें से प्रत्येक लगभग 3.7 नैनोमीटर चौड़ी होती है। इन सुरंगों के भीतर, शोधकर्ताओं ने पानी और टेट्राहाइड्रोफ्यूरान का एक तरल मिश्रण रखा, जो एक ऐसा रसायन है जो पानी के अणुओं के साथ पिंजरे जैसी संरचनाएं बनाने में मदद करने के लिए जाना जाता है। जब उन्होंने इस फंसे हुए मिश्रण को 150 केल्विन तक ठंडा किया, तो पानी जम गया।
परिणाम स्पष्ट और पुनरुत्पादित योग्य थे। परमाणुओं के विन्यास को देखने के लिए नमूने पर न्यूट्रॉन दागने वाले एक शक्तिशाली उपकरण का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने देखा कि पानी शुद्ध, निर्मल क्यूबिक बर्फ में बदल गया था। यह आकारों का कोई अव्यवस्थित मिश्रण नहीं था; यह एक एकल, समान क्रिस्टल संरचना थी। प्रयोग ने दिखाया कि यह परिवर्तन तब विश्वसनीय रूप से हुआ जब तरल ने सिलिका के प्रत्येक ग्राम के लिए 0.34 और 0.60 घन सेंटीमीटर स्थान भरा। महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने सिद्ध किया कि क्यूबिक बर्फ केवल छोटी सुरंगों और टेट्राहाइड्रोफ्यूरान की उपस्थिति के संयोजन के कारण बनी। जब उन्होंने शुद्ध पानी या एक अलग रसायन का उपयोग करके नियंत्रण प्रयोग किए जो पिंजरे नहीं बनाता है, तो पानी सामान्य हेक्सागोनल आकार या एक अव्यवस्थित मिश्रण में जम गया, कभी भी शुद्ध क्यूबिक रूप में नहीं।
अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि मिश्रण के उन हिस्सों के साथ क्या होता है जो जमते नहीं हैं। जबकि सुरंगों के केंद्र में मौजूद पानी क्यूबिक बर्फ में बदल गया, सुरंग की दीवारों के पास का तरल का एक पतला स्तर अनफ्रोज़न (जमा न हुआ) रहा, जो एक कांच जैसे, गैर-क्रिस्टलीय अवस्था में बदल गया। इस कांच जैसे स्तर में टेट्राहाइड्रोफ्यूरान अणु शामिल हैं, जो प्रतीत होते हैं कि सिलिका की सतह के साथ परस्पर क्रिया करते हैं और बर्फ को वहां बनने से रोकते हैं। यह अलगाव बताता है कि कार्बनिक अणु सीधे तौर पर पानी के अणुओं को क्यूबिक आकार में निर्देशित करने में भूमिका निभाते हैं। शोधकर्ताओं ने उस तापमान को मापा जिस पर यह सीमित बर्फ पिघलती है और पाया कि यह 230 केल्विन है, जो इतने छोटे स्थानों में बर्फ के व्यवहार के अनुरूप है।
यह खोज सुझाव देती है कि क्यूबिक बर्फ केवल प्रयोगशाला की एक जिज्ञासा नहीं है बल्कि पानी का एक स्थिर रूप है जो प्रकृति में पाए जाने वाली स्थितियों के तहत अस्तित्व में रह सकता है। प्रयोग में उपयोग किया गया सेटअप उन वातावरणों की नकल करता है जहाँ पानी वायुमंडल में सूक्ष्म धूल कणों या धूमकेतुओं के बर्फीले दानों में फंसा हो सकता है। इन स्थानों पर, कार्बनिक अणु और खनिज धूल अक्सर सह-अस्तित्व में होते हैं, जो ठीक वही स्थितियाँ पैदा करते हैं जिनका उपयोग शोधकर्ताओं ने इस बर्फ को उगाने के लिए किया था। निष्कर्ष इस विचार को चुनौती देते हैं कि ऊपरी वायुमंडल या अंतरिक्ष में बर्फ मुख्य रूप से आकारों का एक अव्यवस्थित मिश्रण है। इसके बजाय, यह सुझाव देता है कि शुद्ध क्यूबिक बर्फ इन सेटिंग्स में प्राथमिक रूप हो सकती है, जो सही सामग्रियां मौजूद होने पर तरल पानी से सीधे बनती है। यह दिखाकर कि यह प्रक्रिया सामान्य दबाव और बर्फ के लिए अपेक्षाकृत उच्च तापमान पर काम करती है, यह अध्ययन ब्रह्मांड के सबसे चरम और दूरस्थ कोनों में पानी कैसे व्यवहार करता है, इसे समझने का एक नया मार्ग खोलता है।
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