Buzu yeterince fazla sıkıştırırsanız protonları serbest kalır. Bu, Washington’daki Carnegie Enstitüsü’nde çalışan Malcolm Guthrie ve arkadaşlarının vardığı yeni bir sonuç. Çalışma grubu, 50 gigapaskaldan (Gpa) daha çok basınca maruz bırakılan örs hücresinin dişleri arasında sıkıştırılan buz örneği üzerinde nötron saçılması tekniğini uyguluyordu; bu basınç Dünya’nın alt manto tabakasının derinliklerindeki basınca eşdeğer. Araştırmacılar, bu koşullar altında su moleküllerindeki protonların bir kısmının ayrıldığını ve moleküller arasındaki küçük oyuklara yerleştiğini gösteriyor.
Araştırmacılar, başıboş protonların Neptün ve Uranüs gibi gaz devi gezegenlerin buzla kaplı iç yüzeylerinin tabiatları hakkında önemli bulgulara götürebileceğini belirtiyor. Daha önce, bu buz tabakasının proton akımlarını destekleyebilecek, nispeten hareketli hidrojen iyonlarının var olduğu “süperyonik” bir faza girebileceği ve manyetik alan oluşturabileceği öne sürülmüştü. Yeni bulgular, böyle bir fazın daha önce düşünülenden farklı bir şekilde oluşmaya başlayabileceğini ortaya koyuyor, ve belki de sıcaklık daha da düşük olabilir.
Birleşik Krallık’taki Edinburgh Üniversitesi’nde görev yapan John Loveday, konu hakkında şöyle diyor:
“Sonuçlar doğru ise, bunun da ortaya konması gerekir, o halde yüksek yoğunluk altındaki buz hakkında bildiğimiz çok sayıda bilgiye çok derin bir katkı ortaya konmuş olacaktır, özellikle dev gezegenler içindeki iletkenlik hakkında önemli bilgiler elde edilecektir”. Loveday, yüksek basınçlı katı hal fiziği uzmanıdır.
Bulgular, buzun yüksek basınç altında nasıl davrandığına ilişkin mevcut bilgiyi sorgulatacak nitelikte. Daha önceki tahminler, hidrojen bağları ile üç boyutlu bir ağ sisteminde birbirine bağlı olan su moleküllerinin sıkıştırıldıklarında birbirlerine iyice yaklaştıkları ve nihayet hidrojen atomları iki oksijen atomunun ortasındaki boşluğa yerleşeceği yönünde idi. Şimdi birine kovalent bağlı ve diğerine hidrojen bağı ile bağlı olmak yerine, her ikisi tarafından eşit derecede bağlı olarak düşünülüyor. Bu simetrik yerleşimde, su molekülleri tekil bütünlüklerini kaybetmiş oluyor.
Ancak Guthrie ve arkadaşları bazı su moleküllerinin, bu simetrik yerleşime varmadan oldukça önce koptuğunu söylüyor. Araştırma ekibi, protonların nerede bulunduğunu görmek için nötron saçılması kullanarak, yaklaşık 13 Gpa’nın üzerinde bu protonların bağlı bulundukları moleküllerden koparak hidrojen bağlı ağ sistemi içindeki küçük boşluklar olan “arayüz” bölgelerde durduklarını tespit etti.
Yeni buz yapısının kristal yerleşiminden bir parçanın görüntüsünde oksijen atomları mavi ve moleküler hidrojen atomları pembe renkle gösterilmiştir. © Oak Ridge Ulusal Laboratuarı
Sıradan buz yapısında (buz-I olarak bilinir) su moleküllerinin altı üyeli halkalarının ortasında büyük boşluklar bulunmaktadır. Yüksek basınç altında buz farklı, biraz düzensiz ve birbiri içine geçen iki ağ sisteminin yer aldığı ve daha yoğun bir yapı olan buz-VII yapısına dönüşür. Guthrie ve ekibi, keşfettikleri yeni buz yapısının buz-VII gibi olduğunu ama daha da düzensiz olduğunu söylüyor, bazı protonlar ortalama olarak altı oksijene düzgün sekizyüzlü yerleşimde koordine olmuş bölgelerde bulunuyor. Guthrie, bunu şöyle açıklıyor: “Yoğunluğun artması için başka bir yol da budur”.
Guthrie, şöyle diyor:
“Şu andaki teori bu oluşumu tahmin etmemiş gibi gözüküyor. Bir ihtimalle yeni bir fiziksel oluşumu ortaya çıkardık, belki protonların ‘ağdan sıyrılması’ için gereken bir kuantum etkisini bulduk”.
Bir başka olasılık da sonuçların doğruluğunu kanıtlayacak kadar uzun sürmemesi. Loveday henüz kesin karar vermemiş olduğunu söylüyor.
“Doğal olarak bulguyu red etmek anlamına gelmiyor, ama şüpheli olmak daha uygun. Olağan dışı bir bulguunun olağan dışı kanıtlarla desteklenmesi gerekiyor” diyor.
Yüksek basınçlı yapıyı çalışmak için, Carnegie’nin araştırma ekibi elmas örs hücresini biraz değiştirerek örnek üzerinde nötron saçılmasını çalışabilme fırsatı buldu. Guthrie, “Daha önceki tasarımlardan 100 kat daha büyük hacme sahip yeni bir hücre tasarımı geliştirdik” diyor. Nötronlar için bu boyut hâlâ küçük sayılır, bu sebeple yapılacak ikinci şey Oak Ridge Ulusal Laboratuarı’ndaki Spallation Nötron Kaynağındaki yüksek nötron akımını kullanmak olacak. Tekniğin çalışır hâle gelmesi için yine üç yıla yakın bir zamana ihtiyaç var.