Apabila kita menyebut ais, kita biasanya membayangkan air yang sejuk dan keras. Gambaran itu benar untuk keadaan di permukaan Bumi, tetapi tidak merangkumi semua keadaan yang boleh dialami oleh H₂O. Pada tekanan dan suhu yang sangat tinggi, air boleh memasuki fasa yang dikenali sebagai ais superionik. Dalam fasa ini, atom oksigen tersusun membentuk rangka kristal, manakala ion hidrogen sangat mudah bergerak di antara kedudukan dalam rangka tersebut.
Mengapa ais tidak semestinya sejuk?
Fasa sesuatu bahan tidak ditentukan oleh suhu semata-mata; tekanan juga memainkan peranan. Tekanan juga mempengaruhi susunan zarah dan fasa yang stabil. Pada tekanan atmosfera biasa, menaikkan suhu air akhirnya menghasilkan wap. Namun apabila H₂O dimampatkan kepada tekanan berjuta-juta kali tekanan atmosfera, rajah fasanya berubah dengan sangat besar. Fasa pepejal tertentu boleh kekal stabil pada suhu yang jauh lebih tinggi daripada suhu pembekuan yang kita kenali.
Apa yang menjadikan ais ini superionik?
Dalam ais biasa, atom oksigen dan hidrogen terikat dalam struktur yang relatif tetap. Dalam ais superionik, rangka oksigen masih mempunyai susunan kristal, tetapi ion hidrogen menjadi jauh lebih mudah bergerak. Pergerakan ion ini membolehkan bahan menghantar cas melalui pengaliran ion. Oleh sebab satu komponen kekal tersusun seperti pepejal sementara satu lagi sangat bergerak, ais superionik mempunyai sifat yang tidak sesuai digambarkan sebagai pepejal biasa atau cecair biasa.
Fasa hcp yang dilaporkan pada 2026
Alexis Forestier dan rakan-rakan melaporkan pemerhatian fasa ais dengan susunan oksigen heksagon tersusun rapat (hexagonal close-packed, hcp) melalui pembelauan sinar-X sinkrotron dalam sel andas berlian yang dipanaskan menggunakan laser. Kajian ini diterbitkan dalam Physical Review Letters, jilid 137, artikel 114101, pada 9 September 2026. Data kajian ini konsisten dengan peralihan martensit daripada susunan fcc kepada hcp dalam julat tekanan kira-kira 130 hingga 200 GPa. Pada tekanan melebihi 200 GPa dan suhu melebihi 1800 K, penyelidik melaporkan bahawa fasa hcp menjadi dominan apabila sampel memasuki rejim superionik. Perlu diingat bahawa hidrogen menyerakkan sinar-X dengan sangat lemah, jadi data ini terutamanya menjejak rangka oksigen. Sifat superionik disimpulkan daripada kelakuan pengembangan terma paksi-c yang menunjukkan corak berbentuk S, iaitu ciri yang dikenali bagi peralihan superionik jenis II.
Sebelum ini, eksperimen telah menunjukkan fasa superionik dengan rangka oksigen berbentuk body-centred cubic pada tekanan lebih rendah dan face-centred cubic atau fcc pada tekanan lebih tinggi. Laporan 2026 menunjukkan bahawa susunan hcp turut boleh muncul dan menjadi dominan pada tekanan yang sangat tinggi. Pemerhatian ini konsisten dengan kestabilan termodinamik hcp yang lebih tinggi. Namun nisbah fasa dipengaruhi oleh laluan termodinamik, gangguan susunan lapisan, keplastikan mekanikal dan tegasan tidak hidrostatik, jadi domain kestabilan yang sebenar masih memerlukan lebih banyak eksperimen.
Apakah perbezaan struktur kubus berpusat muka (fcc) dan struktur heksagon tersusun rapat (hcp)?
Kedua-dua fcc dan hcp ialah cara menyusun lapisan zarah dengan sangat rapat. Perbezaan utamanya ialah urutan tindanan lapisan. Dalam fcc, urutan ideal boleh digambarkan sebagai A-B-C-A-B-C, manakala hcp menggunakan A-B-A-B. Dalam ais superionik yang dikaji, istilah ini merujuk terutama kepada susunan rangka oksigen. Peralihan antara fcc dan hcp tidak memerlukan semua atom bergerak jauh; lapisan boleh berubah susunan melalui anjakan kolektif yang dikenali sebagai peralihan martensit.
Bagaimana eksperimen ini dilakukan?
Penyelidik memampatkan sampel air di antara dua hujung berlian dalam sel andas berlian. Sampel kemudian dipanaskan dengan laser. Sinar-X berkeamatan tinggi daripada sinkrotron diarahkan kepada sampel, lalu menghasilkan corak difraksi yang bergantung pada susunan atom. Daripada perubahan kedudukan dan intensiti puncak difraksi, penyelidik boleh menguji struktur kristal yang paling konsisten dengan data.
Apa kaitannya dengan Uranus dan Neptun?
Bahagian dalam Uranus dan Neptun dipercayai mengandungi campuran bahan kaya air pada tekanan dan suhu yang amat tinggi. Oleh itu, fasa superionik ialah salah satu keadaan bahan yang relevan kepada model dalaman planet tersebut. Kekonduksian ion dalam bahan seperti ini juga berpotensi mempengaruhi cara arus elektrik dan medan magnet terhasil di dalam planet.
Namun kajian makmal tidak membuktikan bahawa seluruh bahagian dalam Uranus atau Neptun terdiri daripada ais hcp. Planet sebenar mengandungi campuran bahan, mempunyai profil suhu dan tekanan yang berubah mengikut kedalaman, dan mungkin mempunyai komposisi yang lebih kompleks daripada sampel H₂O tulen. Penemuan hcp memberi satu lagi fasa yang perlu dipertimbangkan dalam model, bukannya gambaran lengkap isi planet.
Bagaimana kita mengetahui hal ini?
Apakah ciri utama yang membezakan ais superionik daripada ais biasa?