Kimyagerler üç yıl önce yeni bir buz çeşidinin var olduğuna yönelik kanıtlara ulaşmışlardı. O zamana kadar 18 tip buz kristali biliniyordu. Şimdiyse araştırma takımı, nötron kırınım yöntemi kullanarak buzun 19. kristal yapısını açıklığa kavuşturduklarını bildiriyorlar.
Buz, çok değişken bir madde. Oksijen atomları, kar taneleri veya buz küplerinde altıgen şeklinde diziliyor. Buzun bu biçimine buz bir (buz I) deniyor. Avusturya’daki Innsbruck Üniversitesi Fiziksel Kimya Enstitüsü’nde çalışan Thomas Loerting, “Fakat açık konuşmak gerekirse, bunlar aslında mükemmel kristaller değil” diye açıklıyor. “Bunlar, su moleküllerinin farklı uzamsal yönlerde rastgele yöneldiği düzensiz sistemler.” Şimdiye kadar, atomları farklı şekillerde dizilen ve buz I’in de içerisinde bulunduğu 18 kristal biçimi biliniyormuş. Çok şekilliler olarak bilinen ve basınç ile sıcaklığa göre oluşan bu farklı buz tipleri, çok farklı niteliklere sahip. Örneğin erime noktaları, birkaç yüz derece Celsius’luk farklılıklar gösteriyor. “Her ikisi de saf karbondan oluşan elmas ve grafit ile kıyas götürür nitelikteler” diye açıklıyor kimyager.
Konvensiyonel buz I kuvvetli şekilde soğutulduğunda, eğer deney doğru şekilde yürütülmüşse oksijen atomlarına ek olarak hidrojen atomları da periyodik şekilde dizilebiliyor. Fakat bu durum, 200 derece Celsius’un altında buz XI adı verilen ve tüm su moleküllerinin belli bir desende sıralandığı bir oluşuma yol açabiliyor. Bu şekilde sıralanan buz biçimleri, düzensiz ana biçimlerinden farklılık gösterebiliyor; özellikle de elektrisel nitelikleri bağlamında. Innsbruck’ta çalışan kimyagerler, yeni çalışmalarında yüksek basınçta oluşan (ör. Dünya’nın manto tabakasında) ana biçimli buz VI ile uğraşıyorlar.
Altıgen şeklindeki buz gibi, bu yüksek basınçlı buz biçimi de tamamen düzenli bir kristalden oluşmuyor. Innsbruck Üniversitesi’nde çalışan araştırmacılar, 10 yıldan uzun süre önce söz konusu buzun hidrojen düzenli bir çeşidini oluşturmuşlar ve buz, kitaplara buz XV adıyla geçmiş. Thomas Loerting’in takımı ise bu üretim sürecini üç yıl önce değiştirerek, buz VI’te ikinci bir düzenli biçim oluşturmayı başarmışlar. Bilim insanları bunu yaparken, soğutma sürecini önemli oranda yavaşlatmış ve basıncı 20 kbar civarına yükseltmişler. Bu sayede, oksijen kafesindeki hidrojen atomlarını ikinci bir düzende sıralamış ve buz XIX’u üretmişler. “O zaman, bunun yepyeni şekilde sıralanmış bir kristal çeşidi olduğunu gösteren açık kanıtlara ulaşmıştık fakat kristal yapıyı izat edememiştik.” Şimdiyse yapı belirlemenin altın standardını; nötron kırılımını kullanan takım, tam da bu şeyi yapmayı başarmış.
Kristal yapısı çözüldü
Kristal yapının aydınlığa kavuşturulması için, teknik açıdan önemli bir engelin üstesinden gelinmesi gerekiyor. Nötron kırılımı kullanılarak yapılan incelemede, sudaki hafif hidrojenin döteryum (“ağır hidrojen) ile değiştirilmesi gerekiyor. “Maalesef bu durum, buz üretme sürecindeki sıralanmanın zaman ölçeğini de değiştiriyor” diyor Loerting. “Fakat sonrasında doktora öğrencisi Tobias Gasser, normal suyun bir bölümünü ağır suya eklemeyi düşündü ve bunun, sıralamayı son derece hızlandırdığı ortaya çıktı.” Buzu bu şekilde elde eden Innsbruck araştırmacıları, İngiltere’deki Rutherford Appleton Laboratuvarı’nda bulunan yüksek çözünürlüklü HRPD cihazında nihayet nötron verilerini ölçmeyi başarmış ve buz XIX’un kristal yapısını zahmetli de olsa çözmüşler. Bunun yapılması için, ölçülen verideki birkaç bin aday arasında en iyi kristal yapının bulunması gerekmiş; tıpkı samanlıkta iğne aramak gibi. Japonya’da çalışan bir araştırma grubu ise, Innsbruck çalışmasında elde edilen bu sonuçları farklı basınç koşulları altında yapılan başka bir deneyde doğrulamış. Her iki makale de ortaklaşa şekilde Nature Communications bülteninde yayımlandı.
Innsbruck’da altı buz biçimi keşfedildi
Dünya üzerinde bol miktarda geleneksel buz ve kar bulunsa da, gezegenimizin yüzeyinde başka hiçbir biçim bulunmuş değil (araştırma laboratuvarları hariç). Fakat buz VI ve VII’nin bu yüksek basınçlı biçimleri, elmasların içeriğinde bulunuyor ve dolayısıyla Uluslararası Mineroloji Birliği tarafından mineral listesine ekleniyorlar. Uzayın uçsuz bucaksız boşluğundaki özel basınç ve sıcaklık koşulları altında, suyun pek çok şekli oluşuyor. Örneğin Jüpiter’in, farklı buz çeşitlerinden oluşan katmanlar ile kaplı uydusu Ganymede gibi göksel cisimlerde bulunuyorlar.
Buz XV ve XIX, buz fiziğinde oksijen kafesinin aynı olduğu ilk kardeş ikiliyi temsil ediyor. Fakat hidrojen atomlarının sıralanma deseni farklılık gösteriyor. “Bu durum ayrıca, yapılan deneylerde iki buz biçimi arasındaki geçişi gerçeğe dönüştürmenin ilk defa mümkün olacağı anlamına geliyor” diyor Thomas Loerting. Avusturya’daki Innsbruck Üniversitesi’nde çalışan araştırmacılar, 1980’lerden bu yana dört kristal ve iki biçimsiz buz şekli keşfetmişler.
Bu son araştırma ise Innsbruck Üniversitesi Malzeme ve Nanobilim Araştırma Platformu çatısı altında yürütülmüş ve Avusturya Bilim Fonu FWF tarafından desteklenmiş.
Kaynak: Innsbruck Üniversitesi. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
