حل معمای ۱۶۶ ساله فارادی؛ چرا سطح یخ حتی قبل از ذوبشدن نیمهمایع است؟
یخ بر خلاف ظاهرش حتی در دمای زیر صفر نیز لایه ای شبه مایع روی سطح خود دارد و در نهایت این معما که از زمان فارادی ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده بود، حل شد.
یک معمای علمی که بیش از ۱۶۶ سال ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده بود، سرانجام پاسخ قانع کننده ای پیدا کرد. این معما مربوط به پدیده ای عجیب اما بسیار مهم به نام «پیش ذوب» است. پدیده ای که توضیح می دهد که چرا سطح یخ، حتی در دمای زیر نقطه انجماد، کاملا خشک و جامد نیست و می تواند با یک لایه بسیار نازک و نامرئی از یک ماده مایع مانند پوشانده شود.
آب می تواند در دمای زیر صفر درجه سانتیگراد تحت شرایط مختلف مایع بماند، اما یکی از شگفت انگیزترین آنها وجود این لایه نازک روی یخ است. دانشمندان از سال ۱۸۵۹ به این موضوع پی برده بودند اما توضیح کامل و قطعی برای آن ارائه نشده بود.
مایکل فارادی، دانشمند بزرگ قرن نوزدهم، که بیشتر به دلیل تحقیقاتش در زمینه الکتریسیته و نور شناخته شده است، در سال ۱۸۴۲ متوجه شد که سطح یخ حتی در دمای زیر صفر نیز می تواند لایه نازکی از آب داشته باشد و نتایج خود را ۱۷ سال بعد منتشر کرد.
فارادی مشاهده کرد که این لایه نازک می تواند تک تک تکه های یخ را کنار هم نگه دارد، به همین دلیل است که گلوله های برفی بدون خرد شدن به هم می چسبند. فارادی این پدیده را “پیش ذوب” نامید که کمی گمراه کننده است. از آنجایی که این لایه حتی بدون ذوب کامل یخ تشکیل می شود، اصطلاح پیش ذوب گیر کرده است و امروزه دانشمندان مشاهده کرده اند که این رفتار در کریستال های دیگر نیز رخ می دهد.
فیزیکدانان وجود این لایه نازک بین یخ و هوا را به طرق مختلف تایید کرده اند، اما هیچ کس توضیح کاملی ارائه نکرده است که برای همه قابل قبول باشد. اکنون یک تیم تحقیقاتی عمدتا از دانشگاه پکن موفق به کشف مرحله جدیدی از این پدیده شده است. آنها یک لایه اضافی را شناسایی کرده اند که حتی در دمای کمتر از ۱۵۳ درجه سانتیگراد نیز تشکیل می شود.
فارادی لایه مشاهده شده را مایع می دانست، اما اکنون به آن شبه مایع می گویند. کشف جدید لایه یخ بی شکل (Amorphous Ice Layer یا AIL) است. یعنی مولکول های آن مانند مایع حرکت نمی کنند، اما ساختار منظم کریستال را نیز ندارند.
برای دیدن لایه پیش ذوب، محققان از یک میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) برای دیدن تصویر سطح یخ با دقت اتمی استفاده کردند. از آنجایی که مشاهده مستقیم آرایش مولکول ها در این لایه دشوار بود، آنها از یادگیری ماشینی برای بازسازی ساختار سه بعدی واقعی لایه آمورف استفاده کردند. ترکیب این دو روش نمای بسیار دقیقی از آرایش مولکول ها ارائه می دهد.
محققان توضیح می دهند که در دمای منفی ۱۵۲ درجه سانتیگراد، بی نظمی پروتون ها در سطح و مرزهای بین قسمت های کوچک یخ باعث ایجاد حفره ها و کاهش استحکام پیوند بین مولکول ها می شود. این ضعف باعث فروپاشی ساختار بلوری شده و قسمت کوچکی از کریستال به لایه ای بی شکل تبدیل می شود.
محققان در مقاله خود توضیح می دهند که اگرچه این مطالعه به یخ اختصاص دارد، روش پیشنهادی را می توان برای بسیاری از نانوساختارها و سطوح بی نظم دیگر نیز اعمال کرد. با این حال، آنها خاطرنشان می کنند که نقص های عمیق تر در ساختار یخ نیز مهم هستند و روش های مورد استفاده قادر به بررسی آنها نیستند.
پدیده پیش ذوب یکی از دلایلی است که گاهی اوقات دانه های برف به جای شش ضلعی شکل مثلثی دارند. اما این پدیده فقط یک کنجکاوی علمی نیست. پیش ذوب در تشکیل ابرها نقش دارد و یکی از چندین توضیح رقابتی برای اینکه چرا امکان اسکیت روی یخ وجود دارد، است. نویسندگان مقاله همچنین معتقدند که پیش ذوب برای نگهداری مواد در حالت یخ زده مهم است که به احتمال زیاد شامل اندام ها و بافت های مورد استفاده در پیوند می شود.
فارادی همیشه به پدیده های بالقوه عملی علاقه مند بود، اما درک پدیده پیش ذوب زمان زیادی طول کشید. دلیل این تاخیر دشواری مطالعه سازه های سطحی بود. زیرا این سطوح را نمی توان با روش های معمول کریستالوگرافی بررسی کرد. حتی با تکنیکهای مدرن مانند پراش الکترون کم انرژی، هنوز محدودیتهایی وجود دارد: این روشها نمیتوانند جزئیات دقیق ساختار یخ را به خوبی نشان دهند و معمولاً نتایج را میانگین میگیرند (یعنی روش اندازهگیری به جای نشان دادن جزئیات دقیق هر نقطه از نمونه، تصویر کلی و متوسطی از همه قسمتها ارائه میدهد). به همین دلیل، بسیاری از سوالات و عدم قطعیت ها در مورد سطح یخ هنوز بی پاسخ مانده بود.
این تحقیق در مجله Physical Review X منتشر شده است.
منبع: زومیت
