«Τετράγωνος πάγος» δημιουργήθηκε σε θερμοκρασία δωματίου

Ένας από τους δύο φυσικούς που βραβεύτηκαν με Νόμπελ για την ανακάλυψη του γραφενίου το 2014 καμαρώνει τώρα για μια νέα επιτυχία: χρησιμοποιώντας αυτή τη θαυματουργή μορφή άνθρακα, κατάφερε να δημιουργήσει μια νέα μορφή πάγου, και μάλιστα σε θερμοκρασία δωματίου.

Ο λεγόμενος «τετράγωνος» πάγος, στον οποίο τα μόρια νερού διατάσσονται σε σχήμα κύβου, παρουσιάζεται αυτήν την εβδομάδα στο περιοδικό Nature.

Είναι εντελώς διαφορετικός από τον πάγο που γνωρίζουμε, γνωστό ως πάγος I_h, ο οποίος αποτελείται από μόρια νερού συνδεδεμένα σε εξάγωνα.

Σχεδόν όλος ο πάγος που υπάρχει στη Γη είναι πάγος I_h. Μέχρι σήμερα, όμως, οι φυσικοί έχουν ανακαλύψει ή δημιουργήσει ακόμα 16 μορφές πάγου, οι οποίες σχηματίζονται σε διαφορετικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας.

Για παράδειγμα ο πάγος I_c,υπάρχει έχει εντοπιστεί σε παγοκρυστάλλους ψηλά στην ατμόσφαιρα, ενώ μια τρίτη μορφή, ο πάγος ΧΙ, έχει βρεθεί σε αρχαίους πάγους της Ανταρκτικής.

Μια ακόμα μορφή πάγου, η οποία έχει μικρότερη πυκνότητα από όλες τις υπόλοιπες μορφές, δημιουργήθηκε στο εργαστήριο το 2014 και βαφτίστηκε πάγος XVI.

Ο νέος, τετράγωνος πάγος θα μπορούσε να αναγνωριστεί σύντομα ως η 18η γνωστή στερεά φάση του νερού. Δημιουργήθηκε από τον Αντρέ Γκέιμ, βρετανό φυσικό ρωσικής καταγωγής, ο οποίος βραβεύτηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 2010 μαζί με τον συνάδελφό του Κονσταντίν Νοβοσέλοφ.

Οι δύο ερευνητές τιμήθηκαν για την ανακάλυψη του γραφενίου, μιας εξωτικής και άκρως υποσχόμενης μορφής άνθρακα, αποτελούμενης από άτομα άνθρακα που διατάσσονται όλα στο ίδιο επίπεδο.

Σε προηγούμενες μελέτες του, ο Γκέιμ είχε παρατηρήσει ότι το νερό μπορεί να περνάει ανεμπόδιστα μέσα από φύλλα γραφενίου, κάτι που δεν μπορούν να κάνουν άλλα μόρια, ακόμα και τα πολύ μικρότερα μόρια ήλιου. Η νέα μελέτη της ομάδας του εξηγεί το γιατί.

Ο Γκέιμ και οι συνεργάτες του τοποθέτησαν μια μικρή σταγόνα νερού πάνω σε ένα φύλλο γραφενίου, το οποίο κάλυψαν στη συνέχεια με ένα δεύτερο φύλλο του ίδιου υλικού.

Καθώς το νερό σταδιακά εξατμιζόταν, τα δύο φύλλα πλησίαζαν όλο και περισσότερο μεταξύ τους, μέχρι που έφτασαν σε απόσταση μόλις ενός νανομέτρου. Στην απόσταση αυτή, τα άτομα άνθρακα του γραφένιου διαταράσσουν τα ηλεκτρόνια των γειτονικών ατόμων με αποτέλεσμα να έλκονται μεταξύ τους.

Λόγω αυτής της έλξης, τα δύο φύλλα γραφενίου ασκούσαν στο νερό που υπήρχε ανάμεσά τους ακραία πίεση της τάξης των 10.000 ατμοσφαιρών.

Η πίεση ουσιαστικά ισοπέδωσε τα μόρια νερού και τα ανάγκασε να πάρουν τετραγωνική διάταξη ακόμα και σε θερμοκρασία δωματίου. Σε κάθε στρώμα του τετράγωνου πάγου, όλα τα άτομα διατάσσονται στο ίδιο επίπεδο και οι δεσμοί οξυγόνου-υδρογόνου σχηματίζουν ευθείες γωνίες. Ο πάγος που δημιούργησαν οι ερευνητές περιείχε δύο με τρία τέτοια στρώματα, με τα άτομα οξυγόνου των διαδοχικών στρωμάτων να κάθονται το ένα ακριβώς πάνω από το άλλο, σχηματίζοντας έτσι κύβους.

Ο λόγος που το νερό περνάει τόσο εύκολα μέσα από το γραφένιο είναι ότι ένα ελαφρύ σπρώξιμο στη μία άκρη του στρώματος πάγου αρκεί για να μετακινηθεί ολόκληρο το στρώμα σχεδόν χωρίς καθόλου τριβές.

Τα ευρήματα της μελέτης, λένε οι ερευνητές, είναι χρήσιμα για την κατανόηση της ροής του νερού σε πολύ στενούς χώρους, για παράδειγμα μέσα σε νανοσηλώνες άνθρακα ή διαμέσου των κυτταρικών μεμβρανών.

Θα μπορούσαν επίσης να αξιοποιηθούν στο σχεδιασμό φίλτρων γραφενίου για μονάδες αφαλάτωσης, μια ιδέα την οποία ήδη αναπτύσσει η αμερικανική εταιρεία Lockheed Martin.

Θεωρητικά, μάλιστα, η δημιουργία τετράγωνου πάγου σε μεγάλες ποσότητες θα έδινε τετράγωνες χιονονιφάδες, αντί τις εξαγωνικές χιονονιφάδες που γνωρίζουμε στην καθημερινή ζωή.

Βαγγέλης Πρατικάκης

Newsroom ΑΛΤΕΡ ΕΓΚΟ