حل معمای ۱۶۶ ساله
لباس دونی: یخ برعکس 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 لباس دونی به نقل از خبر آنلاین، به نقل از زومیت، معمایی علمی که بیشتر از ۱۶۶ سال ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده بود، عاقبت 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، بطورکامل 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 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 خویش را 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، ارایه نداده بود. حال 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 حال 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 آنجا که مشاهده مستقیم چینش مولکول ها در این لایه سخت بود، آنها از یادگیری ماشین کمک گرفتند تا ساختار حقیقی سه بعدی لایه ی آمورف را بازسازی کنند. ترکیب این دو روش، دیدی خیلی 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 سبب ایجاد خلأ و کاهش قدرت پیوند بین مولکول ها می شود. این ضعف سبب 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 سبب 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 ایجاد ابرها نقش دارد و یکی از چند توضیح رقیب برای این مساله است که چرا می توان روی یخ اسکیت کرد. نویسندگان مقاله همینطور باور 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 بهره گیری از مهارتهای مدرن مانند پراش الکترون کم انرژی، هنوز محدودیت هایی وجود دارد: این شیوه 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 به جای نمایش دقیق جزییات 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.
به اجمال، به گزارش لباس دونی به نقل از خبر آنلاین، به نقل از زومیت، معمایی علمی که بیش از ۱۶۶ سال ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده بود، عاقبت 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، بطورکامل خشک و جامد نیست و می تواند با لایه ای خیلی نازک و نامرئی از ماده ای شبیه به مایع پوشیده شود. حتی با استفاده از مهارتهای 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 به صورت معمول نتایج را میانگین می کنند (یعنی روش اندازه گیری به جای نمایش دقیق جزئیات هر نقطه از نمونه، یک تصویر کلی و متوسط از همه بخش ها ارائه می دهد).
منبع: لباس دونی
این مطلب لباسدونی را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب