Ice XI
બરફ XI એ Ih નું હાઇડ્રોજન-આદેશિત સ્વરૂપ છે, જે બરફનું સામાન્ય સ્વરૂપ છે. બરફના વિવિધ તબક્કાઓ, બરફ II થી બરફ XIX સુધી, પ્રયોગશાળામાં વિવિધ તાપમાન અને દબાણ પર બનાવવામાં આવ્યા છે. બરફ XI ની કુલ આંતરિક ઊર્જા બરફ Ih કરતા લગભગ છઠ્ઠી ઓછી છે, તેથી સૈદ્ધાંતિક રીતે જ્યારે બરફ Ih ને 72 K થી નીચે ઠંડુ કરવામાં આવે ત્યારે તે કુદરતી રીતે રચાય છે. આ સંક્રમણ હાંસલ કરવા માટે જરૂરી નીચું તાપમાન બે માળખાઓ વચ્ચેના પ્રમાણમાં ઓછા ઊર્જા તફાવત સાથે સંકળાયેલું છે. બરફ Ih માં પાણીના અણુઓ ચાર અર્ધ-યાદૃચ્છિક રીતે નિર્દેશિત હાઇડ્રોજન બંધથી ઘેરાયેલા છે. જ્યાં સુધી સ્થાનિક પ્રોટોન હોપિંગ પૂરતા પ્રમાણમાં સક્ષમ હોય ત્યાં સુધી આવી વ્યવસ્થાઓ નીચા તાપમાને બરફ XI માં જોવા મળતા હાઇડ્રોજન બોન્ડ્સની વધુ સુવ્યવસ્થિત વ્યવસ્થામાં બદલવી જોઈએ; એક પ્રક્રિયા જે વધતા દબાણ સાથે સરળ બને છે. તદનુસાર, બરફ XI માં ષટ્કોણ બરફ અને વાયુયુક્ત પાણી (~ 72 K, ~ 0 પા) સાથે ત્રિપું બિંદુ હોવાનું માનવામાં આવે છે. ગુણધર્મો બરફ XI એ અવકાશ જૂથ Cmc21 સાથે એક ઓર્થોરોમ્બિક માળખું ધરાવે છે જેમાં એકમ કોષ દીઠ આઠ અણુઓ હોય છે. તેના જાળી પરિમાણો a = 4.465 (3) Å, b = 7.859 (4) Å, અને c = 7.292 (2) Å 5 K પર છે. વાસ્તવમાં એકમ કોષ દીઠ આઠ અણુઓના ઓર્થોરોમ્બિક માળખા સાથે બરફના 16 સ્ફટિકશાસ્ત્રીય રીતે અસમાન હાઇડ્રોજન-આદેશિત રૂપરેખાંકનો છે, પરંતુ ઇલેક્ટ્રોનિક માળખાની ગણતરીઓ Cmc21ને સૌથી સ્થિર દર્શાવે છે. અવકાશ જૂથ Pna21 સાથે અન્ય સંભવિત રૂપરેખાંકન પણ રસપ્રદ છે, કારણ કે તે એક એન્ટીફેરોઇલેક્ટ્રિક સ્ફટિક છે, જેને ડેવિડસન અને મોરોકુમાએ 1984માં ખોટી રીતે સૌથી સ્થિર માળખા તરીકે સૂચવ્યું હતું. વ્યવહારમાં, બરફ XI લગભગ એક અઠવાડિયા માટે 72 K ની નીચે રાખવામાં આવેલા પાતળા (10 mM) KOH દ્રાવણમાંથી સૌથી સરળતાથી તૈયાર કરવામાં આવે છે (D2O માટે 76 K ની નીચેનું તાપમાન પૂરતું હશે). હાઇડ્રોક્સાઇડ આયનો ષટ્કોણ બરફમાં ખામી પેદા કરે છે, જે પ્રોટોનને ઓક્સિજન પરમાણુઓ વચ્ચે વધુ મુક્તપણે કૂદવાની મંજૂરી આપે છે (અને તેથી બરફ XI ની આ રચના 'બરફના નિયમો' ને તોડે છે). વધુ સ્પષ્ટ રીતે, દરેક હાઇડ્રોક્સાઇડ આયન બીજેરમ એલ ખામી અને આયનીકૃત શિરોબિંદુ બનાવે છે. ખામી અને આયન બંને સમગ્ર જાળીમાં આગળ વધી શકે છે અને પ્રોટોન પુનઃક્રમિત કરવામાં 'સહાય' કરી શકે છે. હકારાત્મક K + આયન પણ ભૂમિકા ભજવી શકે છે કારણ કે એવું જાણવા મળ્યું છે કે KOH અન્ય આલ્કલી હાઇડ્રોક્સાઇડ કરતાં વધુ સારી રીતે કામ કરે છે. આ ક્રમબદ્ધ પદ્ધતિઓની ચોક્કસ વિગતો હજુ પણ નબળી રીતે સમજવામાં આવી છે અને પ્રશ્નાર્થ હેઠળ છે કારણ કે પ્રાયોગિક રીતે હાઇડ્રોક્સાઇડ અને K + આયનોની ગતિશીલતા 72 K ની આસપાસ ખૂબ ઓછી હોવાનું જણાય છે. હાલની માન્યતા એ છે કે KOH માત્ર હાઇડ્રોજન પુનઃક્રમિત કરવામાં મદદ કરવા માટે કાર્ય કરે છે અને તે બરફ XI ની નીચી-ઊર્જા સ્થિરતા માટે જરૂરી નથી. જો કે, 2010 માં તોશિઆકી ઇટાકા દ્વારા કરવામાં આવેલી ગણતરીઓ આને પ્રશ્નમાં મૂકે છે. ઈટાકા દલીલ કરે છે કે KOH આયનો સી-અક્ષ સાથે સ્ફટિક જાળીના મોટા ચોખ્ખા વિદ્યુત દ્વિધ્રુવ ક્ષણની ભરપાઈ કરે છે. ઉપરોક્ત ઇલેક્ટ્રોનિક માળખાની ગણતરીઓ અનંત જાળી ધારીને કરવામાં આવે છે અને સપાટીના ચાર્જ દ્વારા બનાવવામાં આવેલા મેક્રોસ્કોપિક વિદ્યુત ક્ષેત્રોની અસરોને અવગણવામાં આવે છે. કારણ કે આવા ક્ષેત્રો કોઈપણ મર્યાદિત કદના સ્ફટિકમાં હાજર હોય છે, બિન-ડોપ્ડ બરફ XI માં, વૈકલ્પિક દ્વિધ્રુવ ક્ષણના ક્ષેત્રો પરંપરાગત ફેરોઇલેક્ટ્રિક્સની જેમ રચવા જોઈએ. એવું પણ સૂચવવામાં આવ્યું છે કે બરફ Ih => બરફ XI સંક્રમણ પ્રોટોનના ટનલિંગ દ્વારા સક્ષમ છે. બરફ Ih કરતાં બરફ XI વધુ સ્થિર રચના હોવાનું માનવામાં આવે છે, તેમ છતાં પરિવર્તન ખૂબ જ ધીમું છે. એક અહેવાલ અનુસાર, એન્ટાર્કટિકાની પરિસ્થિતિઓમાં ઉત્પ્રેરકની સહાય વિના તેની રચના થવામાં ઓછામાં ઓછા 100,000 વર્ષ લાગવાનો અંદાજ છે. બરફ XI એન્ટાર્કટિકાના બરફમાં શોધવામાં આવ્યો હતો અને મળી આવ્યો હતો જે 1998 માં લગભગ 100 વર્ષ જૂનો હતો. 2004 માં વધુ અભ્યાસ આ શોધને પુનઃઉત્પાદિત કરી શક્યો ન હતો, જો કે, એન્ટાર્કટિકાના બરફનો અભ્યાસ કર્યા પછી જે લગભગ 3000 વર્ષ જૂનો હતો. 1998ના એન્ટાર્કટિક અભ્યાસમાં એવો પણ દાવો કરવામાં આવ્યો હતો કે પરિવર્તન તાપમાન (બરફ XI => બરફ Ih) છે, જે ઉપર ઉલ્લેખિત અપેક્ષિત ત્રિપાઇ બિંદુ (72 K, ~ 0 પા) ના તાપમાન કરતાં ઘણું વધારે છે. બરફ XI ખૂબ જ નીચા તાપમાન (~ 10 K) અને નીચા દબાણ પર શુદ્ધ પાણીનો ઉપયોગ કરતા પ્રયોગોમાં પણ જોવા મળ્યું હતું-જે ઉપલા વાતાવરણમાં હાજર હોવાનું માનવામાં આવે છે. તાજેતરમાં, બરફ XI ના નાના ક્ષેત્રો શુદ્ધ પાણીમાં રચાયા હોવાનું જાણવા મળ્યું હતું; 70 MPa સુધીની જળસ્થૈતિક દબાણની સ્થિતિ હેઠળ 72 K પર બરફ Ih પર તેનું તબક્કાવાર સંક્રમણ થયું હતું. બરફ Ih કે જેને બરફ XI માં રૂપાંતરિત કરવામાં આવ્યું છે અને પછી પાછા બરફ Ih માં, તાપમાન વધારવા પર, કેટલાક હાઇડ્રોજન-આદેશિત ક્ષેત્રોને જાળવી રાખે છે અને વધુ સરળતાથી ફરીથી બરફ XI માં રૂપાંતરિત થાય છે. ન્યુટ્રોન પાવડર વિવર્તન અભ્યાસમાં જાણવા મળ્યું છે કે નાના હાઇડ્રોજન-આદેશિત ક્ષેત્રો 111 K સુધી અસ્તિત્વમાં હોઈ શકે છે. આઈસીસ Ih અને XI વચ્ચે રમન વર્ણપટમાં અલગ તફાવત છે, જેમાં બરફ XI અનુવાદાત્મક (~ 230 સે. મી.-1), ગ્રંથપાલ (~ 630 સે. મી.-1) અને તબક્કામાં અસમપ્રમાણતાવાળા વિસ્તાર (~ 3200 સે. મી.-1) પ્રદેશોમાં વધુ મજબૂત શિખરો દર્શાવે છે. આઇસ આઈ. સી. પણ પ્રોટોન-આદેશિત સ્વરૂપ ધરાવે છે. બરફ XIc ની કુલ આંતરિક ઊર્જાની આગાહી બરફ XIh જેવી જ કરવામાં આવી હતી બરફમાં હાઇડ્રોજન-ઓર્ડરિંગના સંકેતો 1964 ની શરૂઆતમાં જોવા મળ્યા હતા, જ્યારે ડેંગલ એટ અલ. થર્મો-સ્ટિમ્યુલેટેડ વિધ્રુવીકરણ (ટી. એસ. ડી.) પ્રવાહની ટોચ પ્રોટોન-આદેશિત ફેરોઇલેક્ટ્રિક તબક્કાના અસ્તિત્વને આભારી છે. જો કે, તેઓ નિર્ણાયક રીતે સાબિત કરી શક્યા ન હતા કે તબક્કાનું સંક્રમણ થયું હતું, અને ઓન્સેગરે ધ્યાન દોર્યું હતું કે ખામીઓ અને જાળીની અપૂર્ણતાની હિલચાલથી પણ ટોચ ઊભી થઈ શકે છે. ઓન્સેગરે સૂચવ્યું હતું કે પ્રયોગવાદીઓ કાળજીપૂર્વક કેલરીમેટ્રિક પ્રયોગ કરીને ગરમીની ક્ષમતામાં નાટકીય ફેરફારની શોધ કરે છે. બરફના XIમાં તબક્કાના સંક્રમણની સૌપ્રથમ 1972માં શુજી કવાડા અને અન્ય લોકો દ્વારા પ્રાયોગિક રીતે ઓળખ કરવામાં આવી હતી. ફેરોઇલેક્ટ્રિક ગુણધર્મો આઇસ XI ફેરોઇલેક્ટ્રિક છે, જેનો અર્થ છે કે તેમાં આંતરિક ધ્રુવીકરણ છે. ફેરોઇલેક્ટ્રિક તરીકે લાયકાત મેળવવા માટે તેણે વિદ્યુત ક્ષેત્ર હેઠળ ધ્રુવીકરણ સ્વિચિંગ પણ દર્શાવવું આવશ્યક છે, જે નિર્ણાયક રીતે દર્શાવવામાં આવ્યું નથી પરંતુ જે પરોક્ષ રીતે શક્ય હોવાનું માનવામાં આવે છે. ક્યુબિક બરફમાં ફેરોઇલેક્ટ્રિક તબક્કો પણ હોય છે અને આ કિસ્સામાં બરફના ફેરોઇલેક્ટ્રિક ગુણધર્મો પ્રાયોગિક રીતે મોનોલેયર પાતળા ફિલ્મો પર દર્શાવવામાં આવ્યા છે. સમાન પ્રયોગમાં, ષટ્કોણ બરફના ફેરોઇલેક્ટ્રિક સ્તરો પ્લેટિનમ (111) સપાટી પર ઉગાડવામાં આવ્યા હતા. આ સામગ્રીમાં ધ્રુવીકરણ હતું જેમાં 30 મોનોલેયર્સની સડો લંબાઈ હતી જે સૂચવે છે કે બરફ XI ના પાતળા સ્તરોને ડોપન્ટ્સના ઉપયોગ વિના નીચા તાપમાને સબસ્ટ્રેટ્સ પર ઉગાડી શકાય છે. એક-પરિમાણીય નેનો-મર્યાદિત ફેરોઇલેક્ટ્રિક બરફ XI 2010 માં બનાવવામાં આવ્યો હતો. એસ્ટ્રોફિઝિકલ અસરો જેમ ઉલ્લેખ કરવામાં આવ્યો હતો તેમ, બરફ XI સૈદ્ધાંતિક રીતે 50-70 K-બાહ્ય સૌરમંડળના એસ્ટ્રોફિઝિકલ વાતાવરણમાં હાજર તાપમાન અને ચંદ્ર અને બુધ પર કાયમી છાંયડાના ધ્રુવીય ખાડાઓ વચ્ચેના નીચા દબાણ પર રચના કરી શકે છે. બરફ XI સૌથી સરળતાથી 70 K ની આસપાસ રચાય છે-વિરોધાભાસી રીતે, તે નીચા તાપમાને રચવામાં વધુ સમય લે છે. પ્રાયોગિક માપમાંથી વિસ્તૃત રીતે જોવામાં આવે તો, 70 K પર રચના થવામાં ~ 50 વર્ષ અને 50 K પર ~ 300 મિલિયન વર્ષ લાગે છે. તે યુરેનસ અને નેપ્ચ્યુનના ઉપલા વાતાવરણ અને પ્લુટો અને શેરોન જેવા સ્થળોએ હાજર હોવાનું માનવામાં આવે છે. ગુરુ અને શનિના વાતાવરણમાં પણ બરફ XI ના નાના ક્ષેત્રો અસ્તિત્વમાં હોઈ શકે છે. હકીકત એ છે કે બરફ XI ના નાના ક્ષેત્રો 111 કેલ્વિન સુધીના તાપમાને અસ્તિત્વમાં હોઈ શકે છે, કેટલાક વૈજ્ઞાનિકો એવું અનુમાન કરે છે કે તે આંતરતારકીય અવકાશમાં એકદમ સામાન્ય હોઈ શકે છે, જેમાં નાના 'ન્યુક્લિએશન બીજ' અવકાશમાં ફેલાય છે અને નિયમિત બરફને રૂપાંતરિત કરે છે, જે વોનેગટ્સ કેટના પારણામાં ઉલ્લેખિત કાલ્પનિક બરફ-નવની જેમ છે. આંતરતારકીય અવકાશ અને ગ્રહની રચનામાં બરફ XI ની સંભવિત ભૂમિકાઓ ઘણા સંશોધન પત્રોનો વિષય રહી છે. જ્યાં સુધી બાહ્ય અવકાશમાં બરફ XI ની નિરીક્ષણાત્મક પુષ્ટિ કરવામાં ન આવે ત્યાં સુધી, ઇટાકા દ્વારા ઉઠાવવામાં આવેલી ઉપરોક્ત ટીકાને કારણે અવકાશમાં બરફ XI ની હાજરી વિવાદાસ્પદ રહે છે. બરફ XI ના ઇન્ફ્રારેડ શોષણ વર્ણપટનો અભ્યાસ 2009 માં અવકાશમાં બરફ XI ની શોધની તૈયારીમાં કરવામાં આવ્યો હતો. સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ પાણી બરફ ફેરોઇલેક્ટ્રિક સામગ્રી