นี่คือ “น้ำแข็ง”(ชนิดใหม่) ที่มีความหนาแน่นเกือบเท่ากับน้ำ

หลายคนคงรู้จักกันดีว่า เมื่อน้ำมีอุณหภูมิลดต่ำลงจนเหลือศูนย์องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นจุดเหยือกแข็งนั้นจะทำให้น้ำเริ่มแข็งตัวเป็นน้ำแข็ง แต่นั่นก็เป็นน้ำแข็งในแบบปกติทั่วไป

รูปที่ 1. น้ำแข็งอสัณฐานความหนาแน่นปานกลาง (อ้างอิง: Livescience)

นี่คือน้ำแข็งอสัณฐานความหนาแน่นปานกลาง (Medium-Density Amorphous Ice) ที่เป็นน้ำแข็งในรูปแบบใหม่ ที่นักวิจัยได้สร้างน้ำแข็งในรูปแบบที่มีโครงสร้างที่ไม่เป็นระเบียบและมีความหนาแน่นเกือบเท่ากับน้ำในสถานะของเหลว ด้วยการใช้อุณหภูมิที่เย็นจัดและลูกบอลสแตนเลส

ซึ่งน้ำแข็งที่สร้างขึ้นใหม่นี้ไม่มีโครงสร้างโมเลกุลที่เป็นระเบียบ ซึ่งแตกต่างจากน้ำแข็งผลึกที่ก่อตัวตามธรรมชาติบนโลก ในทางกลับกัน โมเลกุลของมันไม่เข้ากันอย่างวุ่นวายที่ดูคล้ายกับแก้วมากกว่า ซึ่งเป็นสถานะที่เรียกว่า อสัณฐาน ที่หมายถึง การเรียงตัวอย่างไม่เป็นระบบในโครงสร้างของสาร นั่นทำให้มีรูปร่างที่ไม่แน่นอน แต่ก็เคยมีน้ำแข็งอสัณฐานชนิดอื่นๆที่ทำมาก่อน แต่มีความหนาแน่นน้อยกว่าหรือหนาแน่นกว่าน้ำที่เป็นของเหลวมาก น้ำแข็งอสัณฐานแบบใหม่นี้อยู่ตรงกลาง หรือเกือบจะตรงกับความหนาแน่นของน้ำในของเหลว นักวิจัยอธิบายในการศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์ (Science) วันที่ 2 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 2023 มันเป็นสิ่งใหม่อย่างสิ้นเชิง คริสตอฟ ซัลซ์มันน์ (Christoph Salzmann) ผู้เขียนที่เป็นศาสตราจารย์ด้านเคมีเชิงฟิสิกส์และวัสดุแห่งมหาวิทยาลัยคอลเลจลอนดอนกล่าว

โดยเมื่อน้ำแข็งแข็งตัวตามปกติบนโลก โมเลกุลของมันจะซ้อนกันเป็นโครงสร้างผลึกที่เป็นระเบียบ น้ำแข็งที่เป็นผลึกนี้เป็นหนึ่งในลักษณะแปลกๆของโมเลกุลของน้ำเพราะมันลอยอยู่บนน้ำที่เป็นของเหลวในสถานะของแข็งแทนที่จะจม นี่เป็นเพราะช่องว่างที่ค่อนข้างใหญ่ในโครงสร้างผลึกของน้ำแข็ง เมื่อเทียบกับวัสดุอื่นๆที่สร้างโครงสร้างที่หนาแน่นกว่าเมื่อตกผลึก

 

รูปที่ 2. น้ำแข็งอสัณฐานความหนาแน่นต่ำด้านซ้ายและน้ำแข็งอสัณฐานความหนาแน่นสูงด้านขวา (อ้างอิง: Nature)

เมื่อจัดการอย่างเหมาะสม น้ำที่เป็นของเหลวก็สามารถแข็งตัวในสถานะอสัณฐานที่ไม่เป็นระเบียบได้เช่นกัน น้ำแข็งอสัณฐานความหนาแน่นต่ำก้อนแรกเหล่านี้ถูกค้นพบในทศวรรษที่ 1930 ทำโดยการสะสมไอน้ำไว้บนพื้นผิวที่เย็นจัด กระบวนการนี้เกิดขึ้นตามธรรมชาติในอวกาศ คริสตอฟกล่าว ดังนั้นน้ำแข็งอสัณฐานที่มีความหนาแน่นต่ำอาจจะเป็นรูปแบบน้ำแข็งที่พบได้บ่อยที่สุดในเอกภพ

ในช่วงทศวรรษที่ 1980 นักวิจัยค้นพบว่าพวกเขาสามารถสร้างน้ำแข็งอสัณฐานที่มีความหนาแน่นสูงได้ด้วยการบีบอัดน้ำแข็งธรรมดาที่อุณหภูมิต่ำมาก แต่ก็ไม่เคยมีใครสร้างน้ำแข็งอสัณฐานที่มีความหนาแน่นปานกลางมาก่อน จนกระทั่งคริสตอฟและเพื่อนร่วมงานของเขามีความคิดบ้าๆ พวกเขาตัดสินใจที่จะลองใช้เครื่องบดแบบลูกบอลสแตนเลส (Ball Milling)

เครื่องบดแบบลูกบอลสแตนเลสเป็นอุปกรณ์ชนิดหนึ่งที่คล้ายกับเครื่องปั่นค็อกเทลขั้นสูง วัสดุถูกใส่เข้าไปในช่องที่มีลูกบอลสแตนเลสและเขย่าหรือหมุนจนกว่าวัสดุจะบดละเอียด คริสตอฟกล่าวว่า เครื่องบดแบบลูกบอลสแตนเลสถูกนำมาใช้ในหลายอุตสาหกรรม แต่ทำได้ดีเป็นพิเศษในการสร้างวัสดุอสัณฐานและการบดวัสดุที่อ่อนนุ่มและแช่แข็งให้เป็นผง เราพูดว่า ทำไมเราไม่บดน้ำแข็งและดูว่าเกิดอะไรขึ้น คริสตอฟกล่าว

โดยมีคุณสมบัติประหลาดบางอย่างที่นักวิจัยคาดไม่ถึงว่าเครื่องบดแบบลูกบอลสแตนเลสจะทำได้ พวกเขาคิดว่าแค่ทำให้ผลึกน้ำแข็งแตกออกเป็นผลึกน้ำแข็งที่เล็กลง แต่นั่นไม่ใช่สิ่งที่เกิดขึ้น แต่ลูกเหล็กที่ร่วงหล่นได้ตัดและบีบอัดผลึกน้ำแข็ง ผลักพวกมันให้อยู่ในสถานะใหม่ ทำให้น้ำแข็งอสัณฐานความหนาแน่นปานกลาง

การสร้างแบบจำลองด้วยคอมพิวเตอร์แสดงให้เห็นว่าน้ำแข็งเริ่มอยู่ในสภาพที่เป็นผลึกสวยงาม พันธะไฮโดรเจนก่อตัวเป็นโครงตาข่ายหกเหลี่ยม การตัดเฉือนแบบสุ่มจากการกัดด้วยลูกบอลสแตนเลสจะผลักพันธะไฮโดรเจนเหล่านี้ไปคนละทาง ปล่อยให้พวกมันชี้ขึ้นและลงแบบวุ่นวาย น้ำแข็งรูปแบบใหม่ก่อตัวที่อุณหภูมิ -196 องศาเซลเซียส มันมีคุณสมบัติแปลกๆ มีความหนาแน่น 1.06 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งเมื่อเทียบกับน้ำมีความหนาแน่น 1 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร คริสตอฟกล่าวว่า เมื่อนักวิจัยบีบอัดน้ำแข็งที่มีความหนาแน่นปานกลางและให้ความร้อนจนถึง -120 องศาเซลเซียส น้ำแข็งจะตกผลึกใหม่และปล่อยความร้อนจำนวนมากออกมา

 

รูปที่ 3. เครื่องบดแบบลูกบอลสแตนเลสที่ทำน้ำแข็งอสัณฐานความหนาแน่นปานกลาง (อ้างอิง: Science)

สำหรับน้ำแข็งอสัณฐานรูปแบบอื่น หากคุณบีบอัดพวกมันและปล่อยแรงดัน มันจะเหมือนกับว่าไม่มีอะไรเกิดขึ้น คริสตอฟกล่าว แต่น้ำแข็งอสัณฐานรูปใหม่นี้ก็มีความสามารถนี้ในการเก็บพลังงานกลและปลดปล่อยออกมา โดยผ่านความร้อน

น้ำแข็งอสัณฐานที่มีความหนาแน่นปานกลางอาจจะเกิดขึ้นตามธรรมชาติบนดวงจันทร์น้ำแข็งของดาวเคราะห์แก๊สยักษ์ คริสตอฟกล่าว ซึ่งแรงโน้มถ่วงของดาวขนาดมหึมาบีบอัดและเฉือนน้ำแข็งของดวงจันทร์ หากเป็นเช่นนั้น พลังงานเชิงกลที่สะสมอยู่ในน้ำแข็งรูปแบบนี้อาจจะส่งผลต่อการแปรรูปร่างบนดวงจันทร์

คริสตอฟกล่าวว่าการทำความเข้าใจเกี่ยวกับน้ำแข็งอสัณฐานที่มีความหนาแน่นปานกลางยังช่วยให้นักวิจัยเข้าใจน้ำในสถานะของเหลวได้ดีขึ้น น้ำเป็นสิ่งแปลกที่ไม่เพียงเพราะรูปแบบผลึกลอยได้ แต่ยังเป็นเพราะมีคุณสมบัติพิเศษอื่นๆ เช่น แรงตึงผิวสูง จุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง นักวิทยาศาสตร์ยังคงถกเถียงถึงธรรมชาติของน้ำที่อุณหภูมิต่ำมาก คริสตอฟกล่าวว่าการอภิปรายใดๆ จำเป็นต้องคำนึงถึงน้ำแข็งอสัณฐานที่มีความหนาแน่นปานกลาง ความเข้าใจมากมายของเราเกี่ยวกับน้ำ คริสตอฟกล่าว

อ้างอิง: Livescience, Science

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *