Võiks tunduda, et inimkond teab juba veest kõike. See on igapäevaselt meie ümber, lihtne aine, kuid selle olemus peidab endas rohkem saladusi, kui oskame ette kujutada. Uuemad teadusuuringud on näidanud, et isegi meile tuttavates tingimustes võivad eksisteerida täiesti uued aine olekud.
Uus, võimatu näiv jäävorm
Rahvusvaheline teadlaste rühm, mida juhtis Korea Standardite ja Teaduse Instituut, avastas uue jää liigi, millele anti nimeks „jää XXI“. See jäävorm tekib toatemperatuuril – nähtus, mis on vastuolus meie tavapärase arusaamaga füüsikaseadustest. See avastus kujutab endast tõelist murdepunkti vee uurimise ajaloos.
Varem oli teadlastel õnnestunud tuvastada üle kahekümne erineva jää kristallstruktuuri, kuid ükski neist ei sarnanenud uue leitud vormiga. „Jää XXI“ eripära seisneb selles, et ta püsib stabiilsena tingimustes, kus peaks eksisteerima hoopis teistsugused jäävormid. Seda võib võrrelda tasakaaluolekuga kaose ja korra piiril, kus loodus laseb ajutiselt eksisteerida ebatüüpilisel struktuuril.
Laikindlalt stabiilse struktuuri saladus
„Jää XXI“ struktuur on metastabiilne, ehk ajutiselt stabiilne – see tähendab, et ta võib teatud aja püsida, kuigi termodünaamika seisukohast ei peaks ta üldse eksisteerima. Selline jäävorm moodustub tohutu rõhu all, ligikaudu kaks gigapaskalit, mis on umbes kakskümmend tuhat korda suurem kui atmosfäärirõhk.
Niisugustes tingimustes muutub vesi nn ülisurutud vedelikuks, mis ei kristalliseeru tavapärasel viisil. Selle oleku avastamine sai võimalikuks alles tänu kõige kaasaegsemale teadusaparatuurile.
Uurimustes kasutati teemantkambreid äärmiselt kõrge rõhu tekitamiseks ning ülikiireid röntgenikiirguse impulsse, mis võimaldasid jää kristalliseerumise kulgu jäädvustada mikrosekundi täpsusega. Nii said Euroopa teadlased XFEL-i ja PETRA III keskustest jälgida, kuidas vesi läheb ühest struktuurist teise rohkem kui tuhat korda sekundis.
Vaadeldud protsesside käigus täheldati vähemalt viit erinevat kristalliseerumise ja sulamise ahelat, nende hulgas metastabiilset „jääd VII“ ja stabiilset „jääd VI“. Need protsessid kinnitasid Ostwaldi astmelisuse reeglit, mille järgi moodustavad ained sageli kõigepealt ebastabiilseid olekuid enne lõpliku stabiilse vormi tekkimist.
Mida see avastus tähendab?
„Jää XXI“ kristallstruktuur on erakordselt keerukas – ühte elementaarsesse kristallvõre ühikusse mahub koguni 152 veemolekuli. Seetõttu on selle tihedus 1,413 grammi kuupsentimeetri kohta, samal ajal kui tavalise jää tihedus on vaid 0,917 grammi kuupsentimeetri kohta.
Selline molekulide paigutus ja kord võimaldab oletada, et võib eksisteerida veelgi kõrgtemperatuurilisi metastabiilseid jäävorme. Avastus ei laienda üksnes meie arusaama vee olemusest, vaid on oluline ka planetoloogia seisukohalt.
Näiteks võivad sarnased jäästruktuurid esineda Saturni ja Jupiteri kaaslastel, nagu Titaan või Ganimedes, kus rõhu ja temperatuuri tingimused võivad olla lähedased katsetes loodutele. See aitab paremini mõista nende maailmade sisemist ehitust ja arengulugu.
Maakeral avavad sellised uuringud uusi võimalusi täpsete veemolekuli mudelite loomiseks ning uute funktsionaalsete materjalide väljatöötamiseks. See tuletab taas meelde, et isegi kõige igapäevasem, meid kõikjal ümbritsev veemolekul peidab endas veel hulgaliselt lahendamata mõistatusi, mis ootavad oma avastamist.
