حل معمای ۱۶۶ ساله
بست روید: یخ بر خلاف ظاهرش، در دماهای زیر صفر نیز لایه ای شبه مایع روی سطح خود دارد و عاقبت این معما که از زمان فارادی ذهن دانشمندان را مشغول کرده بود، حل شد.
به گزارش بست روید به نقل از خبر آنلاین، به نقل از زومیت، معمایی علمی که بیشتر از ۱۶۶ سال ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده بود، سر انجام پاسخی قانع کننده پیدا کرده است. این معما به پدیده ای عجیب اما خیلی مهم به نام «پیش ذوب» مربوط می شود؛ پدیده ای که توضیح می دهد چرا سطح یخ، حتی در دماهایی پایین تر از نقطهٔ انجماد، کاملا خشک و جامد نیست و می تواند با لایه ای خیلی نازک و نامرئی از ماده ای شبیه به مایع پوشیده شود.
آب در وضعیت مختلف می تواند در دمای خیلی پایین تر از صفر درجه سانتی گراد مایع باقی بماند، اما یکی از شگفت انگیزترین این حالت ها، وجود همین لایه نازک روی یخ است. دانشمندان از سال ۱۸۵۹ به این مساله پی برده بودند، اما توضیحات کامل و قطعی برای آن ارایه نشده بود.
مایکل فارادی، دانشمند بزرگ قرن نوزدهم که بیشتر به علت پژوهش هایش در حوزه برق و نور شناخته می شود، در سال ۱۸۴۲ متوجه شد سطح یخ می تواند حتی در دماهای زیر صفر یک لایه نازک آب داشته باشد و ۱۷ سال بعد نتایج خودرا منتشر نمود.
فارادی مشاهده کرد که این لایه نازک می تواند بلوک های جداگانه ی یخ را به هم بچسباند و بنابراین است که گلوله های برف بدون خردشدن به هم می چسبند. فارادی این پدیده را «پیش ذوب» نامید که کمی گمراه کننده است؛ چونکه این لایه حتی بدون ذوب شدن کل یخ شکل می گیرد، اما اصطلاح پیش ذوب ماندگار شد و امروزه دانشمندان مشاهده کرده اند که چنین رفتاری در کریستال های دیگر نیز رخ می دهد.
فیزیکدان ها با روش های مختلف وجود این لایه نازک بین یخ و هوا را تأیید کرده اند، اما هچ کس هیچ توضیح کاملی که برای همه پذیرفتنی باشد، ارایه نداده بود. حالا یک تیم تحقیقاتی به طور عمده از دانشگاه پکن موفق شده است مرحله جدیدی از این پدیده را کشف کند. آنها یک لایه اضافی را شناسایی کرده اند که حتی در دمای پایین منفی ۱۵۳ درجه سانتی گراد شکل می گیرد.
فارادی لایه مشاهده شده را مایع می دانست، اما حالا آنرا نیمه مایع (quasiliquid) می نامند. کشف جدید لایه یخ آمورف (Amorphous Ice Layer یا AIL) است؛ یعنی مولکول های آن مانند مایع حرکت نمی کنند، اما ساختار منظم یک کریستال را نیز ندارند.
محققان برای دیدن لایه پیش ذوب، از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) استفاده کردند تا تصویر سطح یخ را با دقت اتمی ببینند. از آنجاییکه مشاهده مستقیم چینش مولکول ها در این لایه سخت بود، آنها از یادگیری ماشین کمک گرفتند تا ساختار واقعی سه بعدی لایه ی آمورف را بازسازی کنند. ترکیب این دو روش، دیدی خیلی دقیق از چینش مولکول ها فراهم نمود.
پژوهشگران توضیح می دهند که در دمای منفی ۱۵۲ درجه سانتی گراد، بی نظمی پروتون ها در سطح و مرزهای بین بخش های کوچک یخ موجب ایجاد خلأ و کاهش قدرت پیوند بین مولکول ها می شود. این ضعف موجب می شود ساختار کریستالی به هم بریزد و بخش کوچکی از کریستال به لایه آمورف تبدیل گردد.
محققان در مقاله خود توضیح می دهند که هرچند این مطالعه به یخ اختصاص دارد، روش پیشنهادی می تواند برای خیلی از نانوساختارها و سطوح بی نظم دیگر نیز کاربرد داشته باشد. بااین حال، آنها یادآوری می کنند که نقص های عمیق تر در ساختار یخ نیز اهمیت دارند و روش های مورد استفاده توانایی بررسی آنها را ندارد.
پدیده پیش ذوب یکی از دلایلی است که موجب می شود دانه های برف گاهی به جای شش ضلعی، شکل مثلثی داشته باشند؛ اما این پدیده صرفا کنجکاوی علمی نیست. پیش ذوب شدن در تشکیل ابرها نقش دارد و یکی از چند توضیح رقیب برای این مساله است که چرا میتوان روی یخ اسکیت کرد. نویسندگان مقاله همین طور اعتقاد دارند پیش ذوب برای نگه داری مواد در حالت منجمد اهمیت دارد که به احتمال زیاد شامل اندام ها و بافت های مورد استفاده در پیوند نیز می شود.
فارادی همیشه به پدیده های بالقوه کاربردی علاقه داشت، اما درک پدیده پیش ذوب زمان زیادی برد. دلیل این تاخیر، سختی مطالعه چارچوب های سطحی بوده است؛ چونکه این سطوح با روش های معمول کریستالوگرافی قابل بررسی نیستند. حتی با بهره گیری از روشهای فنی مدرن مانند پراش الکترون کم انرژی، هنوز محدودیت هایی وجود دارد: این شیوه ها نمی توانند جزئیات دقیق ساختار یخ را به خوبی نشان دهند و معمولا نتایج را میانگین می کنند (یعنی روش اندازه گیری به جای نمایش دقیق جزئیات هر نقطه از نمونه، یک تصویر کلی و متوسط از تمام بخش ها ارایه می دهد). به همین دلیل، خیلی از پرسش ها و ابهامات در رابطه با سطح یخ هنوز بی پاسخ مانده بود.
منبع: بست روید
این مطلب بست روید چطور بود؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات کاربران در مورد این مطلب بست روید
لطفا شما هم در مورد این مطلب نظر دهید