แม้ว่าน้ำแข็งเกือบทั้งหมดที่พบในโลกจะมีโครงสร้างเป็นหกเหลี่ยม แต่ก็มีน้ำแข็งอย่างน้อย 17 ชนิดที่ทราบกันดีอยู่แล้ว โดยแต่ละชนิดมีการจัดเรียงโมเลกุลต่างกัน อย่างไรก็ตาม ตัวแปรใหม่เหล่านี้ส่วนใหญ่ต้องการแรงกดดันสูงและสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิที่ควบคุมได้ ซึ่งทำให้ยากต่อการศึกษาโดยตรง ทีมนักวิจัยในจีนได้ใช้เทคนิคศักยภาพโครงข่ายประสาทเทียมที่มีหลักการข้อแรก
ในการเลือกปฏิบัติระหว่างเฟสน้ำแรงดันสูงหลายเฟส
การค้นพบนี้ช่วยเพิ่มความเข้าใจของเราเกี่ยวกับกลไกการถ่ายโอนโปรตอนที่เกี่ยวข้องเมื่อเฟสเหล่านี้ละลายและอาจพิสูจน์ได้ว่ามีความสำคัญสำหรับวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ตลอดจนฟิสิกส์และเคมีพื้นฐาน
น้ำมีเอกลักษณ์เฉพาะในการสร้างโครงสร้างน้ำแข็งผลึกและอสัณฐานที่หลากหลาย พฤติกรรมที่ผิดปกติของมันในสถานะแช่แข็งเกิดจากพันธะระหว่างโมเลกุลที่อ่อนแอระหว่างอะตอมของไฮโดรเจนสองอะตอม ซึ่งแยกจากกันด้วยอะตอมของออกซิเจนเพียงอะตอมเดียว
น้ำแข็งรูปแบบหนึ่งที่มีการศึกษามากที่สุดรูปแบบหนึ่งเรียกว่าน้ำแข็งปกเกล้าเจ้าอยู่หัว เฟสคริสตัลลูกบาศก์ (bcc) ศูนย์กลางร่างกายที่แปลกใหม่นี้เรียกอีกอย่างว่า “น้ำแข็งร้อน” และสามารถก่อตัวที่อุณหภูมิแวดล้อมภายใต้แรงกดดันที่สูงกว่า 3 GPa (ประมาณ 30 000 คูณความกดอากาศที่ระดับน้ำทะเล) น้ำแข็งในรูปแบบนี้ถูกสร้างทฤษฎีว่ามีอยู่ในเขตมุดตัวเย็นภายในเปลือกโลกและบนไททันของดวงจันทร์น้ำแข็งของดาวเสาร์
แผนภาพแสดงสถานะ เฟสน้ำแข็งรูปแบบใหม่ที่เรียกว่าน้ำแข็ง superionic หรือน้ำแข็ง XVIII มีอยู่ที่อุณหภูมิและความดันที่สูงกว่า 1,000 เคลวินและ 40 GPa น้ำแช่แข็งรูปแบบนี้ประกอบด้วยไฮโดรเจนไอออนที่มีลักษณะคล้ายของเหลว ซึ่งก็คือโปรตอน ซึ่งกระจายตัวอย่างรวดเร็วผ่านโครงตาข่ายที่เป็นของแข็งของอะตอมออกซิเจน น้ำแข็งเหนือไอออนสามารถประกอบขึ้นเป็นส่วนใหญ่ของส่วนภายในของดาวเคราะห์ยูเรนัสและเนปจูน โดยมีโปรตอนที่กระจายตัวเร็วช่วยสร้างสนามแม่เหล็กที่แรงและซับซ้อนซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของดาวเคราะห์ “ยักษ์น้ำแข็ง” เหล่านี้
Ice VII ถึงน้ำแข็ง superionic
ในปี 2548 นักวิจัยยืนยันการทดลองว่าน้ำแข็ง VII สามารถเปลี่ยนเป็นน้ำแข็ง superionic ที่ประมาณ 47 GPa และ 1,000 K พวกเขายังแนะนำว่าการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นผ่านรูปแบบ “ไดนามิก” ของน้ำแข็ง VII ซึ่งโปรตอนมีความผิดปกติมากกว่าในน้ำแข็งทั่วไป VII ในขณะที่ยังคงแปลเป็นภาษาท้องถิ่นมากกว่าที่อยู่ในน้ำแข็ง superionic อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงนี้ได้รับการพิสูจน์ว่ายากต่อการจำลองโดยใช้การคำนวณแบบเริ่มต้นและวิธีการสร้างแบบจำลองโมเลกุลสนามแรง นี่เป็นเพราะว่า โดยปกติวิธีการของ ab initioมักถูกจำกัดให้อยู่ในช่วงเวลาที่สั้นและการจำลอง supercell ที่ค่อนข้างเล็ก ในขณะที่เทคนิคที่ใช้แรงในสนามไม่สามารถจัดการกับการแตกพันธะเคมีที่เกี่ยวข้องกับการแพร่โปรตอนในไดนามิกน้ำแข็ง VII
Xin-Zheng Liจากมหาวิทยาลัยปักกิ่งในกรุงปักกิ่งและเพื่อนร่วมงานเชื่อว่าขณะนี้พวกเขาเอาชนะปัญหานี้ได้ด้วยการใช้เทคนิคการสร้างแบบจำลองทางเลือกตามศักยภาพของโครงข่ายประสาทเทียม โมเดลของพวกเขาใช้แพ็คเกจการเรียนรู้เชิงลึกยอดนิยม ( DeePMD-kit ) เพื่อสร้างแบบจำลองขนาดใหญ่ที่มีความแม่นยำเทียบเท่ากับการคำนวณทฤษฎีความหนาแน่น-ฟังก์ชัน (DFT) และต้องใช้เวลาในการคำนวณและพลังงานเท่ากัน
ผลของการจำลองเหล่านี้ทำให้นักวิจัยสามารถสำรวจธรรมชาติของเฟสน้ำแรงดันสูงที่ระดับอะตอมได้ พวกเขาพบว่าลักษณะไดนามิก เช่น การเคลื่อนที่แบบกระจายของอะตอมไฮโดรเจนและออกซิเจน เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในการแยกแยะระหว่างเฟสน้ำแข็งที่ละเอียดอ่อนและ “ไม่สำคัญ”
แผนภาพเฟสโดยละเอียด
ตัวอย่างเช่น ในไดนามิก ice VII ทีมงานของ Li ได้ระบุเฟสที่ละเอียดอ่อนสองเฟส ซึ่งเรียกว่าไดนามิก ice VII T และไดนามิก ice VII R ซึ่งก่อนหน้านี้ใช้การเคลื่อนที่ในพื้นที่และการถ่ายโอนโปรตอนในแนวขวาง ในขณะที่ระยะหลังยังพิจารณาถึงการเคลื่อนที่แบบหมุนด้วย พวกเขายังตีความเฟส superionic ว่าเกี่ยวข้องกับการละลายน้ำแข็ง VII ที่ไม่สำคัญที่ความดันสูงกว่า 40 GPa เฟสน้ำแข็ง superionic ใหม่สามารถให้ความกระจ่างมากขึ้นเกี่ยวกับแกนน้ำแข็งยักษ์
ตามรายงานของ Li การเปลี่ยนแปลงจากน้ำแข็ง VII ไปเป็นน้ำแข็ง superionic สามารถเข้าใจได้ว่าเกิดขึ้นเมื่ออะตอมของออกซิเจนและไฮโดรเจนหลุดออกจากตำแหน่งผลึกในน้ำแข็ง VII พร้อมกันที่แรงกดดันปานกลางเช่นเดียวกับโครงสร้างที่เป็นของแข็งพังทลายลงอย่างกะทันหัน ที่ความดันที่สูงขึ้น (มากกว่า 40 GPa) อะตอมของไฮโดรเจนจะละลายก่อน ตามด้วยอะตอมของออกซิเจน
จากผลลัพธ์เหล่านี้ นักวิจัยได้วาดแผนภาพเฟสโดยละเอียด (ดูภาพด้านบน) ซึ่งพวกเขากล่าวว่าจะเป็นประโยชน์สำหรับการทำความเข้าใจว่าน้ำมีพฤติกรรมอย่างไรภายใต้แรงกดดันสูง “วิธีการให้รายละเอียดแผนภาพนี้สามารถขยายไปยังวัสดุอื่นๆ ได้ แม้แต่วัสดุที่คิดว่าเข้าใจได้ค่อนข้างดี” Li กล่าว
การวิเคราะห์กรดไขมันแต่ละตัวในเศษอาหาร
ทีมงานที่นำโดยRichard Evershedได้แก้ปัญหานี้โดยการวิเคราะห์เศษอาหารที่ถูกดูดซึมเข้าสู่ (และได้รับการปกป้องโดย) เมทริกซ์ดินเหนียวในเครื่องปั้นดินเผา สารตกค้างเหล่านี้มักถูกทิ้งไว้โดยการปรุงอาหารจากเนื้อสัตว์หรือนม และมีกรดไขมัน ปาล์มิติก (C 16:0 ) และสเตียริติก (C 18:0 ) ในปริมาณสูง อันที่จริงสารประกอบที่มีคาร์บอนเหล่านี้มักมีความเข้มข้นสูงถึงมิลลิกรัมต่อกรัมของดินเหนียว
นักวิจัยแยกกรดไขมันโดยทำความสะอาดเศษหม้อหุงต้มแล้วบดให้เป็นผง ซึ่งจะเปิดพื้นผิวที่มีการเก็บวัสดุที่เป็นไขมัน (ลิพิด) ไว้ จากนั้น พวกเขาสกัดลิพิดด้วยตัวทำละลายอินทรีย์และแยกสารประกอบแต่ละชนิดในพวกมันโดยใช้โครมาโตกราฟีก๊าซเส้นเลือดฝอยแบบเตรียมการ
AMS-เครื่องปั้นดินเผา-บทความ Evershed และทีมของเขาตรวจสอบความบริสุทธิ์ของสารประกอบของพวกเขาโดยใช้เทคนิค NMR spectroscopy และแมสสเปกโตรเมทรีในสนามสูงก่อนที่จะวางลงในแคปซูลดีบุกแล้วเผาให้เป็นเป้าหมายกราไฟท์ จากนั้นพวกเขาก็ย้ายเป้าหมายนี้ไปยังเครื่องเร่งความเร็วมวลสารและใช้เครื่องมือ (ซึ่งห้องทดลองได้มาในปี 2016) เพื่อนับจำนวน อะตอมของ C 14ภายในเป้าหมาย Evershed กล่าวว่า “การนำ NMR ที่ล้ำสมัยมารวมกันเพื่อตรวจสอบความบริสุทธิ์ของสารประกอบที่แยกได้และเครื่องมือ AMS ล่าสุดเป็นก้าวสำคัญที่ทำให้การวัดเหล่านี้เป็นไปได้”
Credit : greenteagallery.net hassegawa.net hdpaperwall.net henryxp.net hotelsnearheathrowairport.net
