น้ำแข็งแปลกในอวกาศ

ก้อนน้ำแข็งยักษ์ที่ลอยอยู่ในทะเล หรือน้ำแข็งหลอดในแก้วน้ำดื่ม ส่วนใหญ่เกิดจากการเปลี่ยนสถานะของน้ำจากของเหลวกลายเป็นของแข็ง ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0 C ซึ่งโมเลกุลของน้ำแข็ง (H2O) จะเรียงตัวเป็นระเบียบเหมือนกันทุกทิศทุกทาง เรียกว่า ผลึก ซึ่งน้ำแข็งที่เราพบในชีวิตประจำวัน เป็นผลึกน้ำแข็งรูปทรงหกเหลี่ยมรูปแบบหนึ่ง เรียกว่า Ice l¬h เนื่องจากโครงสร้างพิเศษของโมเลกุลน้ำคล้ายกับพีระมิดสามเหลี่ยมจึงทำให้สามารถเรียงตัวได้หลายรูปแบบเมื่อน้ำนั้นเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง ทั้งนี้ ขึ้นอยู่กับแรงดันอากาศและอุณหภูมิ

ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์พบว่า น้ำแข็งมีโครงสร้างผลึกถึง 18 รูปแบบ โดยมี 2 รูปแบบที่มีชื่อว่าไอซ์ เซเว่น (Ice VII) และ ไอซ์ เอ้กทีน (Ice XVIII) เป็นรูปแบบที่นักวิทยาศาสตร์ให้ความสนใจมากที่สุด เพราะตามธรรมชาติ เราสามารถพบการเกิดผลึกทั้งสองรูปแบบนี้ได้ในอวกาศเท่านั้น

น้ำแข็งที่โครงสร้างผลึกแบบสี่เหลี่ยมไอซ์ เซเว่น จะก่อตัวในสภาวะที่มีแรงดันสูงมาก จึงไม่สามารถพบได้ทั่วไป ต้องผลิตในห้องปฏิบัติการเท่านั้น โดยอาศัยคลื่นกระแทกหรือเลเซอร์ยิงไปที่แผ่นน้ำบางๆ และบีบอัดแรงดันสูงกว่าความดันบรรยากาศหลายเท่าตัว ในปี ค.ศ. 2560 มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ได้บันทึกการก่อตัวน้ำแข็ง ไอเซเว่นในห้องปฏิบัตการเป็นครั้งแรก นักวิทยาศาสตร์จึงเชื่อว่าไอซ์ เซเว่นจะพบได้นอกโลกเท่านั้น โดยเฉพาะดาวบริวารของดาวเคราะห์น้ำแข็ง เช่น ดวงจันทร์ Europa ของดาวพฤหัสบดี หรือดาวเคราะห์ในกลุ่มที่เรียกกันว่า “น้ำแข็งยักษ์” เช่น เนปจูน

การศึกษาไอซ์ เซเว่น อาจช่วยสร้างแบบจำลองหรือคาดการณ์สภาพแวดล้อมของดาวยักษ์และดวงจันทร์น้ำแข็งเหล่านี้ รวมทั้งปรากฏการณ์ทางอวกาศต่างๆ เช่น ดาวหางพุ่งชนดาวเคราะห์ได้ละเอียดมากขึ้น

ในปี พ.ศ. 2561 มีงานวิจัยมหาวิทยาลัยเนวาดา สหรัฐอาเมริกา พบไอซ์ เซเว่น ฝังตัวอยู่ในเพชร โดยมีจุดกำเนิดอยู่ใต้พื้นผิวโลกประมาณ 650 กม (แรงดันเพียงพอที่จะบีบธาตุคาร์บอนให้เป็นเพชร) ระหว่างที่สสารอื่น เช่น น้ำ สามารถฝังตัวอยู่ในอัญมณีได้ และเมื่อเพชรถูกดันขึ้นมา ทำให้อุณหภูมิลดลงแต่ความดันอากาศยังสูงอยู่จึงทำให้น้ำกลายเป็นน้ำแข็งตัวและมีผลึกเป็นรูปแบบไอซ์ เซเว่นซึ่งชี้ให้เห็นว่าน้ำในสถานะของของเหลวนั้นมีอยู่ใต้เปลือกโลก การค้นพบนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจการเคลื่อนไหวของสสาร ต้นกำเนิดความร้อน และปริมาณน้ำที่มีอยู่ใต้เปลือกโลกมากขึ้น

นอกจากนี้ ไอซ์ เซเว่น ยังช่วยต่อยอดงานวิจัย เช่น ช่วยพิสูจน์การมีอยู่ของน้ำซุเปอร์ไอออนนิค โดยในปี 2562 ณ ห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์สำหรับพลังงานเลเซอร์ สหรัฐอาเมริกา ได้มีการทำการทดลองยิงเลเซอร์รังสีเอกซ์พลังงานสูงไปที่ตัวอย่างน้ำให้เกิดแรงดัน 1 ถึง 4 ล้านเท่าของแรงดันอากาศบนโลก พบว่า เกิดเป็นน้ำแข็งรูปแบบใหม่รูปแบบที่สิบแปด หรือ ไอซ์ เอธธีน มีคุณสมบัติกึ่งของเหลวกึ่งของแข็ง โดยตัวโมเลกุลของน้ำมีการแยกออกจากกัน อะตอมของออกซิเจนได้ก่อตัวเป็นโครงสร้างสี่เหลี่ยมจัตุรัสระหว่างที่อะตอมของไฮโดรเจนสามารถเคลื่อนที่ระหว่างโครงสร้างออกซิเจนได้ซึ่งทำหน้าที่คล้ายกับประจุไฟฟ้า ไอซ์ เอธธีน จึงมีคุณสมบัตินำไฟฟ้า ซึ่งอาจเป็นเบาะแสว่าทำไมสนามแม่เหล็กของดาวเนปจูนและยูเรนัสมีมากกว่าสองขั้วและไม่สัมพันธ์กับทิศทางการหมุนรอบตัวอีกด้วย

น้ำแข็ง Ih เช่นเกล็ดหิมะมีรูปทรงหกเหลี่ยม

แบบจำลองการเรียงตัวอะตอมออกซิเจนในไอซ์ เอธธีน ระหว่างที่อะตอมไฮโดรเจนสามารถเคลื่อนที่ไปมา

กราฟแสดงสถานะสสารของน้ำเมื่ออยู่ในสภาวะอุณหภูมิและแรงดันที่ต่างกัน โดยเลขโรมันคือน้ำแข็งที่มีโครงสร้างทางโมเลกุลต่างกัน
ที่มา Cmglee, Wikipedia (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Cmglee)

ใต้พื้นผิวโลกมีชั้นหินหลอม ลึกลงไปอุณหภูมิและความดันจะเพิ่มมหาศาล หินหลอมมีการไหลเป็นกระแสวน โดยบางส่วนไหลออกมาจากรอยแยกของเปลือกโลก เช่นภูเขาไฟ

ภาพจำลองสภาพแวดล้อมบนดวงจันทร์ Europa ซึ่งมีการสันนิฐานว่ามีชั้นน้ำแข็ง ไอซ์ เซเว่น อยู่ใต้ทะเลน้ำแข็ง

สนามแม่เหล็กของเนปจูนและยูเรนัสมีความเอียงผิดปกติ นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์เชื่อว่าเพราะมีชั้นน้ำแข็งไอซ์ เอธธีน ไหลอยู่ที่ดาวเคราะห์สองดวงนี้

 

ผู้เขียน : นุชจริม เย็นทรวง

อ้างอิง
Mary Beth Griggs (2017). What the heck is 'ice VII,' and why are scientists using lasers to make it? จาก https://www.popsci.com/ice-vii-lasers/ เข้าถึงข้อมูลวันที่ 18 พฤศจิกายน 2562

Martin Chaplin (2002). Water Structure and Science: Ice-seven (Ice VII) จาก http://www1.lsbu.ac.uk/water/ice_vii.html เข้าถึงข้อมูลวันที่ 18 พฤศจิกายน 2562
Ryan Whitwam (2018). Scientists Find Ultra-Rare Ice-VII on Earth for the First Time inside Diamonds. จาก https://www.extremetech.com/extreme/265377-scientists-find-ultra-rare-ice-vii-earth-first-time-inside-diamonds เข้าถึงข้อมูลวันที่ 18 พฤศจิกายน 2562

Joshua Sokol (2019). Black, Hot Ice May Be Nature’s Most Common Form of Water. จาก https://www.quantamagazine.org/black-hot-superionic-ice-may-be-natures-most-common-form-of-water-20190508/ เข้าถึงข้อมูลวันที่ 18 พฤศจิกายน 2562

Marc Kaufman (2018). Diamonds and Science: The Deep Earth, Deep Time, and Extraterrestrial Crystal Rain จาก https://manyworlds.space/tag/ice-vii/ เข้าถึงข้อมูลวันที่ 18 พฤศจิกายน 2562

Sophie Weiner (2018). Scientists Find Diamond Full of an Alien Form of Ice: Ice-VII was known to exist in space, but not naturally on Earth. จาก https://www.popularmechanics.com/science/environment/a19299123/ice-vii-diamond/ เข้าถึงข้อมูลวันที่ 18 พฤศจิกายน 2562

Michelle Starr (2019). Scientists Just Created a Bizarre Form of Ice That's half as Hot as the Sun. จาก https://www.sciencealert.com/exotic-form-of-water-ice-is-half-as-hot-as-the-sun-and-it-s-just-been-created-here-on-earth เข้าถึงข้อมูลวันที่ 18 พฤศจิกายน 2562