حل معمای ۱۶۶ ساله
سایت شیک: یخ بر خلاف ظاهرش، در دماهای زیر صفر هم 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 سایت شیک به نقل از خبر آنلاین، به نقل از زومیت، معمایی علمی که بالاتر 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 بسیار 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، بطورکامل خشک و جامد نیست و می تواند با لایه ای بسیار نازک و نامرئی از ماده ای شبیه به مایع پوشیده شود.
آب در وضعیت مختلف می تواند در دمای بسیار 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 مورد پی برده بودند، اما توضیحات کامل و قطعی برای آن عرضه نشده بود.
مایکل فارادی، دانشمند بزرگ قرن نوزدهم که بیشتر به علت پژوهش هایش در زمینه 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 هم 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، عرضه نداده بود. حالا یک تیم تحقیقاتی عمدتا 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 هم 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 بسیار دقیق از چینش مولکول ها فراهم نمود.
محققان 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 هم کاربرد داشته باشد. بااین حال، آنها یادآوری می کنند که نقص های عمیق تر در ساختار یخ هم 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 بجای 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 مورد 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 هم 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 استفاده از مهارتهای مدرن مانند پراش الکترون کم انرژی، هنوز محدودیت هایی وجود دارد: این تکنیک ها نمی توانند جزییات دقیق ساختار یخ را به خوبی نشان دهند و به طور معمول نتایج را میانگین می کنند (یعنی روش اندازه گیری بجای نمایش دقیق جزییات هر نقطه از نمونه، یک تصویر کلی و متوسط از تمامی بخش ها عرضه می دهد). به همین دلیل، خیلی از پرسش ها و ابهامات در رابطه با سطح یخ هنوز بی پاسخ مانده بود.
منبع: shiksite.ir
این مطلب سایت شیک را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب