با وجود اینکه یخ بخش رایجی از زندگی روزمره ماست—از قهوه یخی گرفته تا برف‌پوش قله‌ها و سطح سیارات دوردست—دانشمندان هنوز با فهرست بلندی از پرسش‌های بی‌پاسخ درباره این ماده روبه‌رو هستند. جالب‌تر اینکه پژوهشگران همچنان در حال کشف انواع جدیدی از یخ هستند که نشان می‌دهد این ماده در محیط‌های مختلف چگونه شکل‌های متفاوتی به خود می‌گیرد.
در مقاله‌ای که اخیراً در نشریه Nature Materials منتشر شده، تیمی از دانشمندان به رهبری مؤسسه تحقیقات استاندارد و علوم کره (KRISS) از کشف فاز جدیدی از یخ با نام یخ XXI خبر داده‌اند. این نوع یخ زمانی شکل می‌گیرد که آب در دمای اتاق به‌سرعت تحت فشار قرار گیرد. نکته جالب اینجاست که این یخ در محدوده فشاری مشابه یخ VI تشکیل می‌شود؛ نوعی از یخ که تصور می‌شود در قمرهای یخی مانند تایتان و گانیمد وجود دارد.
از نظر شیمیایی، آب با وجود داشتن تنها دو عنصر هیدروژن و اکسیژن، می‌تواند ساختارهای بلوری بسیار متنوعی در حالت جامد ایجاد کند. تاکنون ۲۰ نوع ساختار خالص یخ شناسایی شده و یخ XXI بیست‌و‌یکمین نوع آن است.
گون وو لی، نویسنده ارشد این مطالعه و پژوهشگر KRISS، در گفت‌وگویی با European XFEL گفت: «سؤالات زیادی وجود دارد درباره اینکه چگونه ماده‌ای به این سادگی می‌تواند فازهای بلوری مختلفی ایجاد کند.» او افزود که هدف پژوهشگران، درک مسیرهای دقیق تبدیل آب به یخ است.
برای کشف این ساختارها، دانشمندان با دماها و فشارهای مختلف آزمایش می‌کنند تا مسیرهایی را شناسایی کنند که در آن مولکول‌های آب به شکل‌های خاصی از یخ تبدیل می‌شوند. در این آزمایش، تیم پژوهشی موفق شد مسیر پنهانی را در محدوده فشار مربوط به یخ VI شناسایی کند.
لی در بیانیه‌ای از DESY توضیح داد: «فشرده‌سازی سریع آب باعث می‌شود که آب تا فشارهای بالاتر به حالت مایع باقی بماند، در حالی که در شرایط معمول باید به یخ VI تبدیل شده باشد.»
در این مسیر منتهی به یخ VI، یخ XXI به‌عنوان ساختاری شبه‌پایدار شکل می‌گیرد؛ یعنی در تعادل ناپایداری بین دو فاز قرار دارد و برای مدتی باقی می‌ماند، حتی اگر نوع دیگری از یخ در آن شرایط پایدارتر باشد.
در این آزمایش، پژوهشگران دو سلول سندان الماسی ساختند؛ ابزاری که به گفته آن‌ها شبیه «فندق‌شکن فوق‌قوی» است و می‌تواند فشارهایی تا دو گیگا پاسکال ایجاد کند، یعنی ۲۰ هزار برابر فشار معمول هوا. آن‌ها با فشرده‌سازی و آزادسازی مکرر مولکول‌های آب درون این سلول‌ها، تغییرات لحظه‌ای در ساختار یخ را با استفاده از لیزرهای پرقدرت اشعه ایکس در مرکز European XFEL ثبت کردند.
سپس برای تعیین ساختار دقیق یخ XXI، از شتاب‌دهنده ذرات PETRA III در مرکز DESY استفاده شد. این نوع یخ دارای ساختار بلوری چهارگوش با واحدهای بزرگ و تکراری است که پیش‌تر در هیچ‌یک از فازهای شناخته‌شده یخ دیده نشده بود.
ریچل هازبند، یکی از نویسندگان این مطالعه و فیزیک‌دان مرکز DESY در آلمان، گفت: «یافته‌های ما نشان می‌دهد که ممکن است تعداد بیشتری از فازهای شبه‌پایدار یخ در دماهای بالا و مسیرهای انتقال مرتبط با آن‌ها وجود داشته باشد.» او افزود که تحقیقات بیشتر می‌تواند «بینش‌های تازه‌ای درباره ترکیب قمرهای یخی» ارائه دهد.
گون وو لی نیز گفت: «آب یکی از اسرارآمیزترین مواد در جهان است. چرا دو عنصر ساده می‌توانند این‌همه نوع فاز بلوری ایجاد کنند؟ ما فکر می‌کنیم هنوز فازهای بلوری ناشناخته‌ای از یخ وجود دارد—وقتی می‌گوییم ناشناخته، منظورمان این است که هنوز کشف نشده‌اند، اما می‌توانند وجود داشته باشند.»
