روشی نانویی برای بررسی یک راز قدیمی درباره یخ

حتما هنگام راه‌رفتن روی یخ در هوایی که دمایی آن زیر صفر است، حس کرده‌اید که بخشی از یخ، لغزنده و مرطوب است. اما چرا؟ مگر دما زیر نقطه انجماد نیست، پس چرا کمی یخ آب شده در زیر پا قابل احساس است. اولین بار بیش از ۲۲۰ سال پیش مایکل فارادی این مساله را مطرح کرد. به تازگی محققان این سؤال قدیمی را با روشی نانویی بررسی کرده‌اند.

فیزیک پر از اسرار گوناگون است، یکی از رازهای قدیمی، مربوط به یخ است. یخی که در زیر نقطه انجماد نیز آب می‌شود. محققان با استفاده از ابزارهای تصویربرداری در آزمایشگاه ملی آرگونه وزارت انرژی آمریکا، پدیده‌ای را به نام پیش‌ذوب در دمای بسیار پایین شناسایی کردند.

به گزارش ایسنا، پیش‌ذوب چیزی است که می‌توان آن را دلیل ذوب شدن یخ در دماهای زیر نقطه انجماد دانست، پدیده‌ای که موجب لیز شدن یخ می‌شود.

ایده‌ این موضوع برای اولین بار توسط مایکل فارادی در اواسط دهه ۱۸۰۰ مطرح شد. ایده یک لایه پیش‌ذوب و تشکیل لایه‌ای مایع‌مانند در یخ، سؤالات دیگری را در مورد چگونگی تبدیل آب به جامد و به بخار باز می‌کند و این‌که چگونه در شرایط خاص، می‌توان به طور همزمان هر سه را تجربه کرد.

در این مطالعه جدید، دانشمندان کریستال‌های یخ تشکیل شده در دمای کمتر از منفی ۲۰۰ درجه فارنهایت را بررسی کردند. این تیم از مرکز نانو مواد آزمایشگاه ملی آرگونه، از زیرساخت‌های موجود در این آزمایشگاه برای رشد نانوبلورهای یخ استفاده کردند.

در این پروژه از میکروسکوپ الکترونی عبوری برای مشاهده پدیده‌ها در مقیاس نانومتری استفاده شد. به گفته جیانگو ون از محققان این پروژه، برخی مواد در اثر تابش پرتو الکترونی به آنها تخریب شده یا دچار تغییرات جدی می‌شوند.

یکی از این مواد، الکترولیت‌ها هستند که با باتری تبادل یون دارند. توانایی مطالعه این ساختارها در محیط طبیعی آنها، به دانشمندان کمک می‌کند تا در توسعه باتری‌های جدید موفق‌تر عمل کنند.

اما در این پروژه، محققان برای جلوگیری از آسیب ساختاری به یخ، از دوزهای بسیار ضعیف پرتو الکترونی استفاده کردند. این گروه می‌دانستند که اگر بتوانند روی یخ چنین مطالعاتی انجام دهند، بعد از آن می‌توانند روی مواد حساس دیگر نیز تحقیقات مشابهی انجام دهند.

این گروه از نیتروژن مایع برای رشد کریستال‌های یخ بر روی نانولوله‌های کربنی در ۱۳۰ درجه کلوین یا منهای ۲۲۶ درجه فارنهایت استفاده کردند.

در مطالعات قبلی پیش‌ذوب نزدیک به نقطه سه‌گانه آب مشاهده شده بود. در دما و فشارهای زیر نقطه سه‌گانه، یخ مستقیماً به بخار آب تبدیل می‌شود. معمولا برای بررسی رفتار آب از نمودارهای فازی استفاده می‌شود.

تائو ژو، از محققان این پروژه می‌گوید: اما در دنیای واقعی، کارها بسیار پیچیده‌تر از این نمودار فازی ساده است. ما نشان دادیم که پیش‌ذوب می‌تواند به دور از منحنی فازی اتفاق بیفتد، اگرچه نمی‌توانیم دلیل آن را توضیح دهیم.

در ویدئویی که در طول آزمایش ضبط شد، محققان نشان دادند که دو نانوکریستال جداگانه در حال حل شدن در یکدیگر هستند زیرا یخ تحت فشار مداوم تا ۱۵۰ درجه کلوین یا منهای ۱۹۰ درجه فارنهایت گرم می‌شود. اگرچه هنوز هم این بلورها پایین‌تر از نقطه انجماد هستند، اما یخ یک لایه شبه مایع تشکیل می‌دهد.

به نقل از ستاد نانو، این مطالعه سؤالات جالب توجه را ایجاد می‌کند که می‌تواند در کارهای بعدی مورد بررسی قرار گیرد. ماهیت دقیق لایه مایع مانند چیست؟ چه اتفاقی می‌افتد، اگر فشار به همراه درجه حرارت بالا برود؟