විශ්වයේ අප දන්නා හුරුපුරුදුම මෙන්ම අතිශය අද්භූතම රසායනික සංයෝගය වන්නේ ජලයයි. සාමාන්ය පීඩනය සහ උෂ්ණත්වය යටතේ ද්රවයක් ලෙස පවතින ජලය, සෙල්සියස් අංශක 0 ට අඩු උෂ්ණත්වවලදී ඝනීභවනය වී අයිස් බවටත්, සෙල්සියස් අංශක 100 ට වැඩි උෂ්ණත්වවලදී වාෂ්ප බවටත් පත්වන බව අප කුඩා කල සිටම දන්නා කරුණකි. එහෙත්, පෘථිවි පෘෂ්ඨයෙන් ඔබ්බට ගිය ආන්තික පීඩනයන් හා උෂ්ණත්වයන් හමුවේ ජලය හැසිරෙන්නේ සම්පූර්ණයෙන්ම වෙනස් ආකාරයකටය.
මෑතකදී ජාත්යන්තර භෞතික විද්යාඥයින් කණ්ඩායමක් විසින් සෙල්සියස් අංශක 2000 ඉක්මවූ අධික උෂ්ණත්වයකදී සහ වායුගෝල මිලියන 2.3 ක දැවැන්ත පීඩනයක් යටතේ සුපර්යොනික් අයිස් (Superionic Ice) හි පෙර නොවූ විරූ නව ස්ඵටිකරූපී අවධියක් සාර්ථකව නිර්මාණය කර නිරීක්ෂණය කර ඇත. ලෝක ප්රකට Physical Review Letters විද්යා සඟරාවේ ප්රකාශයට පත් කරන ලද මෙම ඓතිහාසික සොයාගැනීම, ඝන හා ද්රව තත්වයන්ගේ අමුතු දෙමුහුමක් වන සුපිරි අයනික පදාර්ථ පිළිබඳ අපගේ අවබෝධය මුළුමනින්ම වෙනස් කිරීමට සමත්ව තිබේ.
පදාර්ථයේ අරුමපුදුම දෙමුහුම් තත්වය: සුපර්යොනික් අයිස් යනු කුමක්ද?
සාමාන්ය භෞතික විද්යා නියමයන්ට අනුව, ජලය දැඩි ලෙස රත් කළ විට අණුක චාලක ශක්තිය වැඩි වී ඒවා එකිනෙකින් ඈත්ව වාෂ්ප බවට පත්වේ. එහෙත්, මෙම රත්වීමට සමගාමීව ගිගාපැස්කල් (GPa) සිය ගණනක දැවැන්ත පීඩනයක් යෙදූ විට ජල අණුවලට එකිනෙකින් වෙන්වී වාෂ්පීකරණය වීමට ඉඩක් නොලැබේ. මෙහි ප්රතිඵලයක් ලෙස නිර්මාණය වන්නේ සුපර්යොනික් අයිස් නමින් හැඳින්වෙන අතිශය ආන්තික පදාර්ථ අවධියකි.
සුපිරි අයනික තත්වයේදී ජලයේ ඇති ඔක්සිජන් සහ හයිඩ්රජන් පරමාණු හැසිරෙන්නේ අද්විතීය ආකාරයකටය:
- දෘඩ ඔක්සිජන් දැලිස: ඔක්සිජන් පරමාණු එකිනෙක තදින් බැඳෙමින් ඝන ද්රව්යයක ලක්ෂණ පෙන්වන ස්ඵටික දැලිසක් (Crystal Lattice) සාදයි.
- ද්රවමය හයිඩ්රජන් ප්රෝටෝන: හයිඩ්රජන් පරමාණුවලින් ඉලෙක්ට්රෝන වෙන්වී සෑදෙන නිදහස් ප්රෝටෝන, මෙම ඔක්සිජන් දැලිස තුළින් ද්රවයක අංශු මෙන් නිදහසේ වේගයෙන් ගලා යයි.
මෙම අසාමාන්ය ව්යුහය නිසා සුපර්යොනික් අයිස් එකවර ඝනයක් මෙන්ම ද්රවයක් ලෙසද ක්රියා කරයි. ඔක්සිජන් සැකිල්ල එයට යාන්ත්රික ඝනත්වයක් ලබා දෙන අතර, නිදහසේ සංසරණය වන හයිඩ්රජන් ප්රෝටෝන එයට අතිවිශාල විද්යුත් සන්නායකතාවක් (Electrical Conductivity) ලබා දෙයි.
ෂඩාස්රාකාර සමීප ඇසුරුම: අයිස්වල නව අවධිය තහවුරු වීම
න්යායික ක්වොන්ටම් යාන්ත්ර විද්යාත්මක ගණනය කිරීම් මගින් මෙවැනි අයිස් අවධි පැවතිය හැකි බව බොහෝ කලක සිට අනුමාන කර තිබුණද, මීට පෙර විද්යාගාර තුළ නිරීක්ෂණය කිරීමට හැකිවූයේ මුහුණත කේන්ද්ර කරගත් ඝනක (Face-Centered Cubic – fcc) ව්යුහයක් සහිත සුපර්යොනික් අයිස් ආකාරය පමණි.
නමුත් මෙම නවතම පර්යේෂණයේදී විද්යාඥයින් විසින් පළමු වරට ෂඩාස්රාකාර සමීප ඇසුරුම් (Hexagonal Close-Packed – hcp) සහිත නව ස්ඵටික අවධියක් පර්යේෂණාත්මකව තහවුරු කර ඇත. ගිගාපැස්කල් 197 ඉක්මවූ පීඩනයන්හිදී සහ සෙල්සියස් අංශක 2000 කට ආසන්න උෂ්ණත්වවලදී, ඔක්සිජන් පරමාණු ඝනක ආකාරයෙන් මිදී වඩාත් ස්ථායී ෂඩාස්රාකාර රටාවකට ස්වයංක්රීයව පෙළගැසෙන බව අනාවරණය විය. විශේෂයෙන්ම ගිගාපැස්කල් 200 සීමාවෙන් ඔබ්බට වඩාත්ම ස්ථායී වන්නේ මෙම hcp ව්යුහය බව තහවුරු වී තිබේ.
ආන්තික විද්යාගාර පරීක්ෂණය: දියමන්ති අමුණ සහ ලේසර් තාක්ෂණය
පෘථිවි පෘෂ්ඨය මත මෙවැනි සුවිශේෂී තත්වයක් නිර්මාණය කිරීම අතිශය සංකීර්ණ තාක්ෂණික අභියෝගයකි. ඒ සඳහා පර්යේෂකයන් යොදාගත්තේ අතිනවීන දියමන්ති අමුණ කෝෂ (Diamond Anvil Cell – DAC) සහ අධිශක්ති අධෝරක්ත ලේසර් තාක්ෂණයයි.
මෙම පර්යේෂණ ක්රියාවලිය පහත අදියර ඔස්සේ සිදු විය:
- අන්වීක්ෂීය සාම්පල සකස් කිරීම: පිරිසිදු ජල බිඳිත්තක් අන්වීක්ෂීය කුටීරයක් තුළ තබා කෘත්රිම දියමන්ති තුඩු දෙකක් අතර සිර කරනු ලැබේ. දියමන්ති යනු විශ්වයේ ඇති දැඩිම ද්රව්යයක් බැවින් අධික පීඩනයක් යෙදීමට එය කදිම මාධ්යයකි.
- දැවැන්ත සම්පීඩනය: දියමන්ති තුඩු එකිනෙක තෙරපීම මගින් ජල සාම්පලය මත වායුගෝල මිලියන 2.3 ක් හෙවත් ගිගාපැස්කල් 230 දක්වා පීඩනය ක්රමයෙන් ඉහළ නංවයි.
- ලේසර් තාපනය: එකවර දෙපසින් එල්ල කරන ලද අතිශය නිරවද්ය අධෝරක්ත ලේසර් කිරණ මගින් සාම්පලය තත්පර කිහිපයක් තුළ සෙල්සියස් අංශක 2000 – 2300 දක්වා රත් කරනු ලැබේ.
- සින්ක්රොට්රොන් X-කිරණ විවර්තනය (Synchrotron X-ray Diffraction): ආලෝකයේ වේගයට ආසන්න අංශු ත්වරණ යන්ත්ර මගින් නිපදවන අධි බලැති සින්ක්රොට්රොන් X-කිරණ කදම්භයක් සාම්පලය හරහා යවා, එහි පරමාණුක දැලිසේ සිදුවන ක්ෂණික ව්යුහාත්මක වෙනස්කම් තත්ය කාලීනව (Real-time) ඡායාරූපගත කරන ලදී.
මෙම අතිනවීන නිරීක්ෂණ ක්රමවේදය මගින්, පීඩනය සහ උෂ්ණත්වය ඉහළ යත්ම සාම්පලයේ අභ්යන්තරය මුහුණත කේන්ද්ර කරගත් ඝනක (fcc) අවධියේ සිට ෂඩාස්රාකාර (hcp) අවධියට ක්ෂණිකව සංක්රමණය වන අයුරු සනාථ විය.
න්යෂ්ටික විලයන ශක්තිය: 100% ක් පිරිසිදු අනාගත පෘථිවි බලශක්තිය
යුරේනස් සහ නෙප්චූන්: අයිස් යෝධයන්ගේ අබිරහස් විසඳීම
මෙම පර්යේෂණාගාර සොයාගැනීම න්යායික භෞතික විද්යාවට පමණක් සීමා වූවක් නොවේ. එය අපගේ සෞරග්රහ මණ්ඩලයේ ඈතින් පිහිටි අයිස් යෝධයන් (Ice Giants) වන යුරේනස් (Uranus) සහ නෙප්චූන් (Neptune) ග්රහලෝකවල අභ්යන්තර ක්රියාකාරිත්වය පැහැදිලි කිරීමට ලැබුණු සුවිශේෂී විද්යාත්මක යතුරකි.
යුරේනස් සහ නෙප්චූන් ග්රහලෝකවල ගැඹුරු මැන්ටලයේ (Mantle) අතිවිශාල වශයෙන් ජලය, ඇමෝනියා සහ මීතේන් අධික පීඩනයක් හා උෂ්ණත්වයක් යටතේ පවතී. ග්රහලෝක විද්යාඥයින් විශ්වාස කරන්නේ මෙම ග්රහලෝකවල අභ්යන්තරයෙන් විශාල කොටසක් සෑදී ඇත්තේ සුපර්යොනික් අයිස් මගින් බවයි.
අසමමිතික චුම්භක ක්ෂේත්රවල රහස
පෘථිවියේ චුම්භක ක්ෂේත්රය එහි භ්රමණ අක්ෂයට බොහෝ දුරට සමාන්තරව පිහිටා ඇති අතර, එය ජනනය වන්නේ ද්රව යකඩවලින් සමන්විත පෘථිවි හරයෙනි. එහෙත්, නාසා ආයතනයේ වොයේජර් 2 (Voyager 2) යානය මගින් අනාවරණය කරගත් පරිදි, යුරේනස් සහ නෙප්චූන්ගේ චුම්භක ක්ෂේත්ර අතිශය අසාමාන්යය:
- ඒවායේ චුම්භක අක්ෂය, භ්රමණ අක්ෂයට සාපේක්ෂව අංශක 47 සිට 59 දක්වා දැඩි ලෙස ඇලවී පිහිටයි.
- චුම්භක ක්ෂේත්රය ග්රහලෝකයේ කේන්ද්රයෙන් පිටතට විස්ථාපනය වී අසමමිතිකව ක්රියාත්මක වේ.
මෙම අමුතු හැසිරීමට හේතුව කුමක්දැයි දශක ගණනාවක් තිස්සේ විද්යාඥයින්ට ගැටලුවක්ව පැවතුණි. නව සොයාගැනීමට අනුව, ග්රහලෝක අභ්යන්තරයේ පවතින hcp ව්යුහය සහිත සුපර්යොනික් අයිස් ස්ථරවල ප්ලාස්ටික් භාවය (Plasticity) සහ ඉහළ ප්රෝටෝනික විද්යුත් සන්නායකතාවය පෙර සිතුවාට වඩා වෙනස් වේ. මෙම ස්ඵටික දැලිස හරහා චලනය වන දැවැන්ත ප්රෝටෝන ධාරා මගින් අසමමිතික ග්රහලෝක ඩයිනමෝවක් (Planetary Dynamo) නිර්මාණය කරමින් මෙම අමුතු චුම්භක ක්ෂේත්ර බිහිකරන බව දැන් පැහැදිලි වෙමින් පවතී.
පදාර්ථයේ අවධි සටහන සහ අනාගත ක්ෂිතිජය
ජලයේ අවධි සටහන (Phase Diagram) යනු විවිධ උෂ්ණත්ව හා පීඩන තත්වයන් යටතේ ජලය ගන්නා විවිධ ස්වරූප විදහා දක්වන සිතියමකි. මේ වන විට විද්යාඥයින් විසින් සාමාන්ය අයිස් වල සිට විවිධ පීඩනයන්හිදී හටගන්නා අයිස් අවධි විස්සකට වඩා (Ice I සිට Ice XX දක්වා) හඳුනාගෙන ඇත. මෙම නව ෂඩාස්රාකාර සුපර්යොනික් අයිස් අවධිය තහවුරු වීමත් සමඟ, ජලයේ අති-ආන්තික අවධි සටහන සම්පූර්ණයෙන්ම යාවත්කාලීන කිරීමට විද්යාඥයින්ට සිදුවනු ඇත.
මීට අමතරව, අපගේ සෞරග්රහ මණ්ඩලයෙන් ඔබ්බෙහි පිහිටි දහස් ගණනක් වූ බාහිර ග්රහලෝක (Exoplanets) අතරින් බොහෝමයක් අයිස් යෝධයන් ගණයට අයත් වේ. එම බාහිර ලෝකවල අභ්යන්තර ගතිකත්වය, භූ-භෞතික ලක්ෂණ සහ ඒවායේ වායුගෝල ආරක්ෂා කරන චුම්භක ක්ෂේත්ර පිළිබඳ නිවැරදි ආකෘති ගොඩනැගීමට නම් සුපර්යොනික් අයිස් හි මෙවැනි ගුණාංග නිවැරදිව තේරුම් ගැනීම අත්යවශ්ය වේ.
සාරාංශය
දියමන්ති තුඩු අතර අංශක 2000°C ඉක්මවූ උණුසුමකදී නිර්මාණය කරන ලද ෂඩාස්රාකාර සුපර්යොනික් අයිස්, පදාර්ථය පිළිබඳ අප සතුව තිබූ සාම්ප්රදායික සීමාවන් බිඳහෙළා ඇත. ඝන ඔක්සිජන් සැකිල්ලක් තුළ ද්රවයක් මෙන් චලනය වන හයිඩ්රජන් ප්රෝටෝනවල මෙම විශ්මිත මුසුව, මූලික භෞතික විද්යාවේ ජයග්රහණයක් මෙන්ම ඈත විශ්වයේ අයිස් යෝධ ග්රහලෝකවල අභ්යන්තර අබිරහස් විසඳන මහා විද්යාත්මක පහන් ටැඹක් ද වේ.
මූලාශ්ර
- Physical Review Letters Journal: https://journals.aps.org/prl/
- Nature Physics – Superionic Water Ice Research: https://www.nature.com/nphys/
- ScienceDaily – Physics & Materials Science Discoveries: https://www.sciencedaily.com/news/matter_energy/physics/
- NASA Solar System Exploration – Uranus & Neptune Dynamics: https://solarsystem.nasa.gov/planets/