Στα βαθύτερα στρώματα του γήινου μανδύα, ακριβώς πάνω από τον πυρήνα, το οξείδιο του μαγνησίου αποτελεί βασικό συστατικό της ύλης. Σε μεγαλύτερους βραχώδεις εξωπλανήτες, γνωστούς ως «υπερ-Γαίες», οι υψηλές πιέσεις μπορούν να μετατρέψουν αυτό το ορυκτό σε νέες κρυσταλλικές δομές ή σε μεταλλικό, ηλεκτρικά αγώγιμο υγρό, το οποίο ενδέχεται να παράγει μαγνητικό πεδίο. Παρά τη σημασία του, οι επιστήμονες αντιμετώπιζαν επί χρόνια ασυνέπειες μεταξύ των θεωρητικών προβλέψεων και των πειραματικών αποτελεσμάτων. Μια νέα μελέτη από το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore (LLNL) και το Πανεπιστήμιο Johns Hopkins, που δημοσιεύθηκε στο Physical Review X, έρχεται να δώσει τέλος σε αυτό το αίνιγμα, αποδεικνύοντας ότι η κατεύθυνση της συμπίεσης του κρυστάλλου παίζει καθοριστικό ρόλο στη συμπεριφορά του υλικού υπό ακραίες συνθήκες.
Η κατάρριψη μιας θεμελιώδους παραδοχής
Για πάνω από μια δεκαετία, οι ερευνητές προσπαθούσαν να κατανοήσουν γιατί οι μετρήσεις του οξειδίου του μαγνησίου δεν συμφωνούσαν με τις αναμενόμενες θεωρητικές προβλέψεις. Η σημαντική ανακάλυψη προέκυψε όταν η ομάδα του Raymond Smith, φυσικού στο LLNL, αποφάσισε να αμφισβητήσει μια παραδοχή που θεωρούνταν δεδομένη: ότι σε πιέσεις διπλάσιες από αυτές του κέντρου της Γης και θερμοκρασίες άνω των 10.000 Kelvin, η κατεύθυνση της συμπίεσης του κρυστάλλου δεν θα έπρεπε να επηρεάζει το αποτέλεσμα. Οι επιστήμονες υπέθεταν ότι η δομή του κύβου του οξειδίου του μαγνησίου θα αντιδρούσε ομοιόμορφα, ανεξάρτητα από τον προσανατολισμό της πίεσης. Ωστόσο, η πειραματική διαδικασία απέδειξε ότι αυτή η απλοϊκή προσέγγιση ήταν η αιτία των αποκλίσεων που παρατηρούνταν σε προγενέστερες μελέτες.
Πειραματισμοί με λέιζερ υψηλής ισχύος
Για να δοκιμάσουν αυτή την υπόθεση, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την εγκατάσταση Omega EP στο Εργαστήριο Ενεργητικής Λέιζερ του Πανεπιστημίου του Rochester. Η διαδικασία περιλάμβανε την εκτόξευση ισχυρών παλμών λέιζερ που δημιουργούσαν ωστικά κύματα μέσα στον κρύσταλλο. Η ομάδα εφάρμοσε την πίεση κατά μήκος τριών διαφορετικών κατευθύνσεων: κάθετα προς την έδρα του κύβου, κατά μήκος της διαγωνίου της έδρας και κατά μήκος της διαγωνίου του κύβου. Τα αποτελέσματα ήταν εντυπωσιακά και αρχικά ακατανόητα, καθώς η απόκριση του υλικού παρουσίαζε μια πολυπλοκότητα που κανείς δεν είχε προβλέψει. Χρειάστηκαν αρκετά χρόνια προσεκτικής ανάλυσης και τεχνολογικών εξελίξεων στις μεθόδους μέτρησης για να κατανοήσει η επιστημονική ομάδα τι ακριβώς συνέβαινε στο εσωτερικό του υλικού.
Συνδυαστική ανάλυση οπτικών δεδομένων και ακτίνων Χ
Η επιτυχία της μελέτης βασίστηκε στον συνδυασμό ταυτόχρονων οπτικών μετρήσεων της ταχύτητας του ωστικού κύματος και της θερμοκρασίας με τη χρήση περίθλασης ακτίνων Χ, η οποία επιτρέπει την παρατήρηση της διάταξης των ατόμων. Αυτή η διπλή προσέγγιση αποκάλυψε ότι η μετατροπή του οξειδίου του μαγνησίου σε μια πυκνότερη κρυσταλλική δομή εξαρτάται άμεσα από την κατεύθυνση της συμπίεσης. Ο προσανατολισμός του κρυστάλλου καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο η εφαρμοζόμενη πίεση αναγκάζει τα άτομα να αναδιαταχθούν. Όταν τα δεδομένα από την περίθλαση συνδυάστηκαν με τις μετρήσεις θερμοκρασίας, τα κομμάτια του παζλ άρχισαν να ταιριάζουν, εξηγώντας γιατί προηγούμενα πειράματα είχαν οδηγήσει σε αντικρουόμενα συμπεράσματα.
Διαφορετικά μονοπάτια μετασχηματισμού
Η έρευνα έδειξε ότι κατά μήκος της διαγωνίου του κύβου, το οξείδιο του μαγνησίου μετασχηματίζεται με τον αναμενόμενο τρόπο, μεταβαίνοντας μεταξύ διατεταγμένων δομών και τήξης καθώς αυξάνεται η πίεση. Αντίθετα, στις άλλες κατευθύνσεις, η διαδικασία είναι πολύ πιο περίπλοκη. Παρατηρήθηκε μια λεπτή, βραχύβια άμορφη ή υγρή περιοχή στο μέτωπο του ωστικού κύματος, η οποία ακολουθείται από μια ακανόνιστη κρυσταλλική ανάπτυξη στο πίσω μέρος. Αυτή η διαφορά εξηγεί τις παλαιότερες ασυνέπειες, καθώς οι προηγούμενες μελέτες δεν είχαν τη δυνατότητα να συνδέσουν τις οπτικές μετρήσεις του λεπτού στρώματος στο μέτωπο του κύματος με τις πληροφορίες που παρείχαν οι ακτίνες Χ για την ευρύτερη περιοχή που ακολουθεί.
Ρεκόρ θερμοκρασίας τήξης και πλανητική εξέλιξη
Παρά τις διαφορές στα μονοπάτια μετασχηματισμού, το οξείδιο του μαγνησίου παρουσίασε σταθερή συμπεριφορά τήξης στους 572 gigapascals και 13.200 Kelvin, σημειώνοντας την υψηλότερη θερμοκρασία τήξης που έχει καταγραφεί πειραματικά για γνωστό υλικό. Αυτά τα δεδομένα αποτελούν πλέον σημείο αναφοράς για τα μοντέλα που περιγράφουν το εσωτερικό των πλανητών. Η κατανόηση του πότε το οξείδιο του μαγνησίου παραμένει στερεό και πότε υγροποιείται είναι κρίσιμη για τη μελέτη της μεταφοράς θερμότητας και της εξέλιξης των πλανητών. Επιπλέον, οι ερευνητές εκτιμούν ότι το ορυκτό μπορεί να παραμένει κρυσταλλικό στους πυρήνες του Δία και του Κρόνου, ενώ σε θερμότερους γίγαντες αερίων ενδέχεται να υπάρχει σε υγρή μορφή.
Ευρύτερες επιπτώσεις για την επιστήμη
Τα ευρήματα αυτά δεν περιορίζονται μόνο στην πλανητική επιστήμη, αλλά προσφέρουν πολύτιμες γνώσεις για τη συμπεριφορά υλικών υπό ακραίες συνθήκες, με εφαρμογές που εκτείνονται έως την εθνική ασφάλεια και τον εκσυγχρονισμό των αποθεμάτων υλικών. Η μελέτη αυτή, η οποία αποτελεί την τρίτη σε μια σειρά ερευνών, υπογραμμίζει τη σημασία της επανεξέτασης των επιστημονικών παραδοχών. Καθώς η επιστημονική κοινότητα συνεχίζει να εξερευνά τα μυστήρια του σύμπαντος, η ικανότητα να κατανοούμε πώς η μικροσκοπική δομή των υλικών επηρεάζει τη μακροσκοπική τους συμπεριφορά παραμένει το κλειδί για την αποκωδικοποίηση της ιστορίας του ηλιακού μας συστήματος και της ίδιας της Γης.
Πηγή: phys.org