راز یخ افشا شد

همواره این سوال مطرح است که چرا هنگام راه‌رفتن روی یخ در هوای زیر صفر درجه، بخشی از آن لغزنده و شکننده است. دما که زیر نقطه انجماد است، پس چرا یخ آب شده در زیر پا قابل احساس است؟

به گزارش ایرنا، اولین بار مایکل فارادی (Michael Faraday) شیمیدان و فیزیکدان بزرگ بیش از ۲۰۰ سال پیش این موضوع را مطرح کرد، اما محققان به تازگی این سوال قدیمی را با روش نانویی بررسی کردند.

فیزیک مملو از اسرار گوناگون است که 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. پیش‌ذوب که می‌توان آن را دلیل ذوب شدن یخ در دما‌های زیر نقطه انجماد دانست، پدیده‌ای است که موجب لیز شدن یخ می‌شود.

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

محققان در مطالعه جدید، کریستال‌های یخ تشکیل شده در دمای پایین‌تر از منفی ۲۰۰ درجه فارنهایت را بررسی کردند. این گروه تحقیقاتی 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 یا دچار تغییرات جدی می‌شوند. یکی از این مواد، الکترولیت‌ها هستند که با باتری تبادل یون دارند. مطالعه این ساختار‌ها در محیط طبیعی 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 دز‌های 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 مشابه را ادامه دهند.

این گروه تحقیقاتی از نیتروژن مایع برای رشد کریستال‌های یخ روی نانولوله‌های کربنی در ۱۳۰ درجه کلوین یا منفی ۲۲۶ درجه فارنهایت استفاده کرد. مطالعات قبلی پیش‌ذوب را نزدیک به نقطه سه‌گانه آب مشاهده کرده بود. در دما و فشار‌های زیر نقطه سه‌گانه، یخ به طور مستقیم به بخار آب تبدیل می‌شود. معمولا برای بررسی رفتار آب از نمودار‌های فازی استفاده می‌شود.

تائو ژو از محققان این پروژه توضیح داد: ما در این بررسی نشان دادیم که پیش‌ذوب می‌تواند به دور از منحنی فازی اتفاق بیفتد، اگرچه نمی‌توانیم دلیل آن را تشریح کنیم.

وی ادامه داد: 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 منفی ۱۹۰ درجه فارنهایت می‌رسد، اگرچه هنوز هم این بلور‌ها پایین‌تر از نقطه انجماد هستند، اما یخ یک لایه شبه مایع تشکیل می‌دهد.

این مطالعه پرسش‌های قابل توجه دیگری را بوجود آورد مانند ماهیت دقیق لایه مایع مانند چیست؟ چه اتفاقی می‌افتد اگر فشار به همراه درجه حرارت روی یخ افزایش یابد؟ این سوال‌ها می‌تواند در بررسی‌های بعدی مورد رسیدگی قرار داد.