वैज्ञानिकों ने हाल ही में एक नई तरह की बर्फ ‘XXI’ की खोज की है और यह आपके फ्रीजर में मौजूद बर्फ की तरह नहीं है

पानी विज्ञान द्वारा ज्ञात सबसे सरल अणुओं में से एक है, फिर भी यह शोधकर्ताओं को आश्चर्यचकित करता है। सामान्य परिस्थितियों में, यह बर्फ के परिचित रूप में जम जाता है जो झीलों और नदियों पर तैरता है। लेकिन जब पानी अत्यधिक उच्च दबाव के संपर्क में आता है, तो इसके अणु अप्रत्याशित तरीके से व्यवहार करते हैं। वे विभिन्न क्रिस्टलीय संरचनाओं में पुनर्व्यवस्थित होते हैं, जिससे बर्फ के बिल्कुल नए रूप बनते हैं।ये रूप, जिन्हें बर्फ चरण कहा जाता है, दिखाते हैं कि कैसे हाइड्रोजन बांड, पानी के अणुओं को जोड़ने वाले छोटे लिंक, तनाव के तहत झुक सकते हैं, मुड़ सकते हैं और संपीड़ित हो सकते हैं। इन परिवर्तनों को समझने से वैज्ञानिकों को यह समझाने में मदद मिलती है कि बर्फीले ग्रहों और चंद्रमाओं के अंदर पानी कैसे व्यवहार करता है, जहां दबाव पृथ्वी के वायुमंडल की तुलना में लाखों गुना अधिक होता है।

पानी जमने पर इतना अजीब व्यवहार क्यों करता है?

ए हालिया अध्ययन नेचर मटेरियल्स में प्रकाशित हुआ पता चला कि जब पानी को भारी दबाव में निचोड़ा जाता है, तो यह कई अप्रत्याशित मार्गों से जम सकता है और पिघल सकता है। अल्ट्रा-फास्ट एक्स-रे इमेजिंग के साथ, डायमंड एनविल सेल, एक उपकरण जो दो हीरों के बीच पानी को संपीड़ित करता है, का उपयोग करके शोधकर्ताओं ने पाया कि पानी दबाव में एक भी प्रकार की बर्फ नहीं बनाता है। इसके बजाय, यह बर्फ VI नामक ज्ञात संरचना में स्थिर होने से पहले कई अस्थायी चरणों से गुजर सकता है।इन अल्पकालिक रूपों में दो नए प्रकार थे: बर्फ XXI और बर्फ VII का एक मेटास्टेबल संस्करण। ये “बीच” बर्फ केवल माइक्रोसेकंड के लिए मौजूद थीं, लेकिन उन्होंने खुलासा किया कि पानी के अणु खुद को पहले की तुलना में अधिक तरीकों से व्यवस्थित कर सकते हैं। इसका मतलब यह है कि कमरे के तापमान पर भी, पानी कई अलग-अलग मार्गों से क्रिस्टलीकृत, पिघल और पुन: क्रिस्टलीकृत हो सकता है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि यह कितनी जल्दी और कितनी मजबूती से संपीड़ित है।

मेटास्टेबल बर्फ कैसे बनती है और क्या चीज उन्हें खास बनाती है

यह देखने के लिए कि ये रूप कैसे दिखाई देते हैं, लचीले हाइड्रोजन बांड से जुड़े पानी के अणुओं की कल्पना करें जो स्प्रिंग्स की तरह काम करते हैं। सामान्य दबाव में, प्रत्येक अणु चार अन्य के साथ बंधता है, जिससे एक खुली जाली बनती है जो बर्फ को उसकी हल्की संरचना देती है। संपीड़ित होने पर, वे बंधन छोटे हो जाते हैं और स्थानांतरित हो जाते हैं, जिससे अणुओं को सघन पैटर्न में मजबूर होना पड़ता है।कभी-कभी, पानी सीधे अपने सबसे स्थिर रूप में नहीं पहुँच पाता है। इसके बजाय, यह एक मध्यवर्ती अवस्था पर रुकता है जिसे मेटास्टेबल बर्फ कहा जाता है। यह अस्थायी संरचना अधिक ऊर्जा रखती है और केवल विशिष्ट परिस्थितियों में ही मौजूद रहती है। नेचर मटेरियल्स अध्ययन में पाया गया कि जैसे ही दबाव एक अरब पास्कल से अधिक तक पहुंच गया, समुद्र के तल पर दबाव का लगभग 10,000 गुना, पानी पांच अलग-अलग तरीकों से जम सकता है।इन रूपों में से एक, बर्फ XXI, ने एक शरीर-केंद्रित टेट्रागोनल व्यवस्था प्रदर्शित की, जिसका अर्थ है कि अणु किसी भी पिछले बर्फ प्रकार की तुलना में अधिक कसकर पैक किए गए हैं। हालाँकि यह कुछ ही क्षणों तक चला, लेकिन इससे पता चला कि पानी जमने की दिशा में कई “मार्ग” ले सकता है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि दबाव कितनी तेजी से बनता है। यह व्यवहार ओस्टवाल्ड के चरण नियम के रूप में जाने जाने वाले सिद्धांत का समर्थन करता है, जो कहता है कि सामग्री संतुलन में बसने से पहले अक्सर कम स्थिर अवस्था से गुजरती है।

वैज्ञानिक इतने तेज़ बदलावों को कैसे पकड़ लेते हैं?

वास्तविक समय में पानी को विभिन्न प्रकार की बर्फ में बदलते देखने के लिए अत्याधुनिक उपकरणों की आवश्यकता होती है। शोधकर्ताओं ने एक अल्ट्राफास्ट एक्स-रे लेजर का उपयोग किया जिसने एक सेकंड के दस लाखवें अंतराल पर आणविक परिवर्तनों को कैप्चर किया। इसे डायमंड एनविल सेल में तीव्र संपीड़न चक्रों के साथ जोड़कर, उन्होंने रिकॉर्ड किया कि कैसे पानी के अणु जमने और पिघलने के दौरान अपनी स्थिति बदलते हैं।उनकी छवियों से पता चला कि पानी हमेशा समान रूप से नहीं जमता। कुछ क्षेत्रों में, एक प्रकार की बर्फ बनती है जबकि दूसरी पास में दिखाई देती है, और स्थितियों में उतार-चढ़ाव होने पर दोनों विलीन हो सकती हैं या नई संरचनाओं में परिवर्तित हो सकती हैं। इस गतिशील दृश्य से पता चला कि पानी की आंतरिक संरचना लगातार खुद को पुनर्व्यवस्थित कर रही है, भले ही वह बाहर से ठोस दिखाई दे।कंप्यूटर सिमुलेशन ने अवलोकनों का समर्थन किया। उन्होंने सुझाव दिया कि उच्च दबाव वाला तरल पानी सघन संस्करण में बदल जाता है जिसे बहुत उच्च घनत्व वाला पानी कहा जाता है। यह चरण हाइड्रोजन बांड के मुड़ने और घूमने के तरीके को बदल देता है, जिससे बर्फ XXI जैसे मेटास्टेबल चरणों का प्रकट होना संभव हो जाता है। मॉडलों ने यह भी बताया कि जब पानी तेजी से संकुचित होता है तो बर्फ VII कभी-कभी बर्फ VI के साथ प्रतिस्पर्धा क्यों करता है, यह दर्शाता है कि जमने में कितने रास्ते लग सकते हैं।

ये खोजें प्रयोगशाला से परे क्यों मायने रखती हैं?

पहली नज़र में, यह पूरी तरह अकादमिक जिज्ञासा जैसा लग सकता है। लेकिन इन निष्कर्षों के दूरगामी प्रभाव हैं। नेप्च्यून और यूरेनस जैसे बर्फीले ग्रहों या बृहस्पति और शनि के जमे हुए चंद्रमाओं के अंदर, पानी प्रयोगशाला में बनाए गए दबाव के समान दबाव में मौजूद है। यह जानने से कि वहां किस प्रकार की बर्फ बन सकती है, वैज्ञानिकों को इन दुनियाओं की आंतरिक संरचना और गर्मी की गति को समझने में मदद मिलती है।उदाहरण के लिए, कुछ बर्फ चरण अलग-अलग तरीके से बिजली का संचालन करते हैं या अद्वितीय तरीकों से गर्मी को रोकते हैं, जो किसी ग्रह के चुंबकीय क्षेत्र और उपसतह महासागरों की क्षमता को प्रभावित करते हैं। पृथ्वी पर, मेटास्टेबल सामग्रियों का अध्ययन करने से रसायनज्ञों और भौतिकविदों को यह समझने में भी मदद मिलती है कि पदार्थ कैसे स्थिति बदलते हैं: ज्ञान जिसे सामग्री डिजाइन, क्रिस्टलीकरण प्रक्रियाओं और यहां तक ​​​​कि प्रोटीन फोल्डिंग जैसी जैविक प्रणालियों पर भी लागू किया जा सकता है।यह खोज आधुनिक प्रायोगिक भौतिकी की उल्लेखनीय प्रगति को भी दर्शाती है। दशकों तक, यह विचार कि वैज्ञानिक वास्तविक समय में परमाणुओं को पुनर्व्यवस्थित होते हुए “देख” सकते हैं, केवल सैद्धांतिक था। अब, उन्नत एक्स-रे इमेजिंग और दबाव नियंत्रण के साथ, उन आणविक बदलावों को रिकॉर्ड किया जा सकता है, जो प्रकृति के तंत्र को उत्कृष्ट विवरण में प्रकट करते हैं।

यह हमें जल की वास्तविक प्रकृति के बारे में क्या बताता है?

ये निष्कर्ष उस पदार्थ के बारे में हमारी समझ में एक नई परत जोड़ते हैं जिसे हमने सोचा था कि हम अच्छी तरह से जानते थे। पानी सरल से बहुत दूर है; यह 20 से अधिक ज्ञात क्रिस्टल रूपों में जम सकता है, और जैसे-जैसे नए दबाव और तापमान का पता लगाया जाता है, यह संख्या बढ़ती रह सकती है।बर्फ XXI और कई ठंड-पिघलने वाले मार्गों की पहचान से पता चलता है कि अत्यधिक तनाव में रखे जाने पर एक सामान्य तरल भी जटिल और अप्रत्याशित तरीके से व्यवहार कर सकता है। ये परिणाम हमारी तस्वीर को परिष्कृत करते हैं कि हाइड्रोजन बांड कैसे पुनर्व्यवस्थित होते हैं, अणुओं के बीच ऊर्जा कैसे चलती है, और सामग्री एक रूप से दूसरे रूप में कैसे स्थानांतरित होती है।रोजमर्रा की जिंदगी में बर्फ साधारण लग सकती है। लेकिन इसकी आणविक संरचना के भीतर पैटर्न, आंदोलनों और परिवर्तनों का एक ब्रह्मांड छिपा है जो अभी भी वैज्ञानिक समझ को चुनौती देता है। अगली बार जब पानी जम जाएगा, चाहे फ्रीजर में हो या किसी दूर के ग्रह पर, यह कई छिपे हुए रास्तों में से एक का अनुसरण कर रहा होगा; प्रत्येक को उसके हाइड्रोजन बांड के अदृश्य नृत्य द्वारा आकार दिया गया है।यह भी पढ़ें | पृथ्वी अपनी चिंगारी खो रही है! नासा ने जलवायु संतुलन में खतरनाक बदलाव का खुलासा किया है