ഭൂമിയുടെ 71 ശതമാനവും ജലമാണെങ്കിലും ജലത്തിന്റെ വ്യത്യസ്ത അവസ്ഥകളും സവിശേഷതകളും ഇനിയും ഏറെ മനസിലാക്കാനുണ്ട്

water ice that is both a solid and a liquid at the same time
അതിശക്തമായ ലേസര്‍ സ്പന്ദനങ്ങളുപയോഗിച്ചാണ് ജലത്തെ പുതിയ അവസ്ഥയിലേക്ക് മാറ്റിയത്.
ചിത്രം കടപ്പാട്:  M. Millot/E. Kowaluk/J.Wickboldt/LLNL/LLE/NIF

 

മേരിക്കന്‍ ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞന്‍ പേഴ്‌സി ഡബ്ല്യു. ബ്രിഡ്ജ്മാന്‍ തന്റെ ഗവേഷണ ജീവിതം മുഴുവന്‍ ചെലവിട്ടത് ഉന്നതമര്‍ദ്ദത്തില്‍ പാദര്‍ഥങ്ങള്‍ക്ക് എന്തുസംഭവിക്കും എന്ന് മനസിലാക്കാനായിരുന്നു. 1905ല്‍ തനിക്ക് 23 വയസ്സുള്ളപ്പോള്‍ ഈ ദിശയില്‍ ആരംഭിച്ച ഗവേഷണം, 1961ല്‍ മരിക്കുംവരേയ്ക്കും അദ്ദേഹം തുടര്‍ന്നു. നൂറിലേറെ പദാര്‍ഥങ്ങളെ അന്തരീക്ഷമര്‍ദ്ദത്തിന്റെ ഒരുലക്ഷം മടങ്ങ് മുകളിലെത്തിച്ച് അദ്ദേഹം പഠിച്ചു. ഭീമമായ മര്‍ദ്ദം സൃഷ്ടിക്കാനാവശ്യമായ ഉപകരണങ്ങളും വികസിപ്പിച്ചു. ഉന്നതമര്‍ദ്ദ പഠനരംഗത്ത് നല്‍കിയ സംഭാവനകള്‍ മുന്‍നിര്‍ത്തി 1946ലെ ഭൗതികശാസ്ത്ര നൊബേല്‍ പുരസ്‌കാരം ബ്രിഡ്ജ്മാന് ലഭിച്ചു

ബ്രിഡ്ജ്മാന്‍ പരിഗണിച്ച പദാര്‍ഥങ്ങളില്‍ ജലവും ഉള്‍പ്പെട്ടിരുന്നു. വ്യത്യസ്ത പരല്‍ഘടന അഥവാ ക്രിസ്റ്റല്‍ഘടനയുള്ള മഞ്ഞിന്റെ (ഐസിന്റെ) അഞ്ച് വകഭേദങ്ങള്‍ അദ്ദേഹം കണ്ടെത്തി. അസാധാരണമാംവിധം ഉയര്‍ന്ന മര്‍ദ്ദത്തിലും താപനിലയിലും ജലത്തിന് ഒരേസമയം ഖരമായും ദ്രവമായും പെരുമാറാന്‍ കഴിയുന്ന വിചിത്ര ആവസ്ഥ ഉണ്ടാകുമെന്ന് ആദ്യം പ്രവചിക്കുന്നതും ബ്രിഡ്ജ്മാനാണ്. 

ബ്രിഡ്ജ്മാന്‍ പ്രവചിച്ച ജലത്തിന്റെ ആ വിചിത്രാവസ്ഥ കണ്ടുപിടിക്കാന്‍ ഇത്രകാലവും ഗവേഷകര്‍ക്ക് കഴിഞ്ഞില്ല. ഏറ്റവും ആധുനികമായ ഉപകരണങ്ങള്‍ കൊണ്ടുപോലും, അത്രയ്ക്ക് ഉയര്‍ന്ന മര്‍ദ്ദവും താപനിലയും സൃഷ്ടിക്കാന്‍ ആര്‍ക്കും കഴിഞ്ഞില്ല എന്നതാണ് വാസ്തവം. 

Percy Williams Bridgman
പേഴ്‌സി ഡബ്ല്യു. ബ്രിഡ്ജ്മാന്‍.
ചിത്രം കടപ്പാട്: nobelprize.org

എന്നാല്‍ ഇപ്പോള്‍ കഥ മാറിയിരിക്കുന്നു. അമേരിക്കയില്‍ ലോറന്‍സ് ലിവര്‍മോര്‍ നാഷണല്‍ ലബോറട്ടറി, റോച്ചസ്റ്റര്‍ സര്‍വകലാശാല, ബര്‍ക്ക്‌ലിയിലെ കാലിഫോര്‍ണിയ സര്‍വകലാശാല എന്നിവടങ്ങളിലെ ഗവേഷകര്‍ നടത്തിയ നാലുവര്‍ഷത്തെ പരിശ്രമം ഫലം കണ്ടിരിക്കുന്നു. ഒരേസമയം ഖരമായും ദ്രവമായും പെരുമാറുന്ന 'സൂപ്പര്‍അയോണിക് ഐസ്' (Superionic Ice) എന്ന ജലത്തിന്റെ അവസ്ഥ ആദ്യമായി കണ്ടെത്തിയിരിക്കുന്നു! 

പുതിയ അവസ്ഥ രൂപപ്പെടുത്താന്‍ ഗവേഷകര്‍ ആദ്യം ചെയ്തത്, 'ഡയമണ്ട് ആന്‍വില്‍ സെല്ലുകള്‍' (DAC) ഉപയോഗിച്ച് ജലത്തെ ഞരിച്ചമര്‍ത്തുകയാണ്. അതുവഴി അന്തരീക്ഷമര്‍ദ്ദത്തിന്റെ 25,000 മടങ്ങ് ഉയര്‍ന്ന മര്‍ദ്ദത്തില്‍, സവിശേഷ പരല്‍ഘടനയുള്ള 'ഐസ് സെവണ്‍' (Ice VII) അവസ്ഥയിലേക്ക് ജലത്തെ മാറ്റി. സാധാരണ മഞ്ഞുകട്ടയെ അപേക്ഷിച്ച് ഏതാണ്ട് 60 ശതമാനം സാന്ദ്രതകൂടിയ അവസ്ഥയാണിത്. പിന്നീട് 'ഐസ് സെവണി'നെ അതിശക്തമായ ലേസര്‍ സ്പന്ദനങ്ങളേല്‍പ്പിച്ചു. ആ പ്രകമ്പനത്തില്‍ ജലത്തിന്റെ മര്‍ദ്ദം അന്തരീക്ഷ മര്‍ദ്ദത്തിന്റെ 20 ലക്ഷം മടങ്ങ് വരെ ഉയര്‍ന്നു, താപനില 5000 ഡിഗ്രി സെല്‍ഷ്യസ് വരെയും! സൂര്യന്റെ പ്രതലത്തിലെ ഊഷ്മാവിന് തുല്യമാണിത്. ഇത്ര ഉയര്‍ന്ന മര്‍ദ്ദത്തിലും താപനിലയിലും 'സൂപ്പര്‍അയോണിക് ഐസ്' എന്ന ജലത്തിന്റെ അവസ്ഥ രൂപപ്പെട്ടു! 

Superionic Ice, new form of matter, Ice that is both solid and liquid
ഒരേസമയം ഖരവും ദ്രവവുമായ സൂപ്പര്‍അയോണിക് ഐസിന്റെ തന്മാത്രാഘടന
കമ്പ്യൂട്ടറില്‍ സൃഷ്ടിച്ചപ്പോള്‍. ചിത്രം കടപ്പാട്: S. Hamel/M. Millot/J.Wickboldt/LLNL/NIF

 

വിചിത്രമാണ് സൂപ്പര്‍അയോണിക് ഐസിന്റെ പരല്‍ഘടന. V - ആകൃതിയില്‍ രണ്ട് ഹൈഡ്രജന്‍ ആറ്റങ്ങള്‍ ഒരു ഓക്‌സിജന്‍ ആറ്റവുമായി ചേര്‍ന്നിരിക്കുന്നതാണ് ജലത്തിന്റെ തന്മാത്രാഘടന. എന്നാല്‍, സൂപ്പര്‍അയോണിക് ഐസിന്റെ കാര്യത്തില്‍ അത്രയും ഉന്നതമായ ഊഷ്മാവിലും ഉയര്‍ന്ന മര്‍ദ്ദത്തിലും ഈ ബോണ്ടുകള്‍ തകരും. പകരം, ഓക്‌സിജന്‍ അയോണുകള്‍ പരല്‍രൂപം പ്രാപിക്കുകയും ഹൈഡ്രജന്‍ അയോണുകള്‍ അതിലൂടെ ഒഴുകി നടക്കുകയും ചെയ്യും. ഓരേ സമയം ഖരവും ദ്രവവും ആകുന്നു എന്നര്‍ഥം!

മുമ്പ് ബ്രിഡ്ജ്മാന്‍ പ്രവചിച്ചെങ്കിലും, 'സൂപ്പര്‍അയോണിക് ഐസ്' എന്ന ജലത്തിന്റെ അവസ്ഥ സൈദ്ധാന്തികമായി വിശദീകരിക്കപ്പെടുന്നത് 1988ല്‍ പെനിസില്‍വാനിയ സര്‍വകലാശാലയിലെ പി. ഡിമോന്റിസും കൂട്ടരും 'ഫിസിക്കല്‍ റിവ്യൂ ലറ്റേഴ്‌സില്‍' പ്രസിദ്ധീകരിച്ച റിപ്പോര്‍ട്ടിലൂടെയാണ്. വിദൂരഗ്രഹങ്ങളിലും മറ്റും ജലം സ്ഥിതിചെയ്യുന്നത് ഈ അവസ്ഥയിലാകാമെന്ന ആശയം അതോടെ ശക്തമായി. യുറാനസ്, നെപ്ട്യൂണ്‍ പോലുള്ള ഗ്രഹങ്ങളില്‍, ഭൂമിയിലേതുപോലെ രണ്ട് കാന്തികധ്രുവങ്ങളല്ല ഉള്ളത്. അനേകം കാന്തികധ്രുവങ്ങളുണ്ട്. ഇത്തരം ഗ്രഹങ്ങള്‍ക്കുള്ളില്‍ സൂപ്പര്‍അയോണിക് ഐസ് ഉള്ളതിനാലാകാം ഇതെന്ന് ഗവേഷകര്‍ കരുതുന്നു. 1999ല്‍ സി. കവാസോനിയും കൂട്ടരും 'സയന്‍സ്' ജേര്‍ണലില്‍ പ്രസിദ്ധീകരിച്ച പഠനറിപ്പോര്‍ട്ട് യുറാനസിലും നെപ്ട്യൂണിലും സൂപ്പര്‍അയോണിക് ഐസ് ഉണ്ടാവാനുള്ള സാധ്യതയെക്കുറിച്ചായിരുന്നു. 

uranus and neptune
യുറാനസിലും നെപ്ട്യൂണിലും ജലം സ്ഥിതിചെയ്യുന്നത് സൂപ്പര്‍അയോണിക് ഐസിന്റെ രൂപത്തിലാണെന്ന് കരുതുന്നു. ചിത്രം കടപ്പാട്: NASA

 

എന്നുവെച്ചാല്‍, ഗവേഷണലോകം പതിറ്റാണ്ടുകളായി ചര്‍ച്ച ചെയ്യുന്ന പ്രതിഭാസമാണ് ഇപ്പോള്‍ ഗവേഷകര്‍ കണ്ടെത്തിയതെന്ന് സാരം. ഈ കണ്ടെത്തലിന് രണ്ടുവര്‍ഷം നീണ്ട പരീക്ഷണങ്ങളും, രണ്ടുവര്‍ഷത്തെ ഡേറ്റാ വിശകലനവും വേണ്ടിവന്നതായി പഠനത്തിന് നേതൃത്വം നല്‍കിയ 'ലോറന്‍സ് ലിവര്‍മോര്‍ നാഷണല്‍ ലബോറട്ടറിയി'ലെ മാരിയസ് മില്ലോട്ട് പറയുന്നു. പഠനറിപ്പോര്‍ട്ട് 'നേച്ചര്‍ ഫിസിക്‌സി'ന്റെ പുതിയ ലക്കത്തിലാണുള്ളത്

ജലം എങ്ങനെ ഉന്നത മര്‍ദ്ദത്തിലും താപനിലയിലും പെരുമാറുന്നു എന്നറിയാനുള്ള ആദ്യകാല ശ്രമങ്ങള്‍ നടത്തിയത് ബ്രിഡ്ജ്മാന്‍ ആണെന്ന് സൂചിപ്പിച്ചല്ലോ. അദ്ദേഹം കണ്ടെത്തിയ അഞ്ച് പരല്‍രൂപങ്ങള്‍ ഉള്‍പ്പടെ, ഇപ്പോള്‍ ഹിമത്തിന്റെ 18 വ്യത്യസ്ത പരല്‍രൂപങ്ങള്‍ ശാസ്ത്രലോകത്തിനറിയാം. 2016ല്‍ കണ്ടെത്തിയ 'ഐസ് സെവണും' ഇതില്‍ പെടുന്നു. ഭൂമിയുടെ 71 ശതമാനവും ജലമാണെങ്കിലും, ജീവന്റെ നിലനില്‍പ്പിന് അടിസ്ഥാനഘടകമായ ജലത്തെപ്പറ്റിയും അതിന്റെ വ്യത്യസ്ത അവസ്ഥകളെ കുറിച്ചും ശാസ്ത്രലോകം ഇനിയും ഏറെ പഠിക്കാനുണ്ട്. ഒരര്‍ഥത്തില്‍ വിദൂര ഗ്രഹങ്ങളെക്കുറിച്ച് ഭൂമിയിലിരുന്ന് പഠിക്കാനും ഇത് അവസരമൊരുക്കുന്നു.

അവലംബം -

1. Experimental evidence for superionic water ice using shock compression. Nature Physics 

2. First experimental evidence for superionic ice. phys.org  

* മാതൃഭൂമി നഗരം പേജില്‍ പ്രസിദ്ധീകരിച്ചത്