ویژگی‌های شگفت‌انگیز و عجیب آب فوق سرد آشکار شدند

ویژگی‌های شگفت‌انگیز و عجیب آب فوق سرد آشکار شدند

آب فوق سرد در حالتی بوده که دمای ماده شدیدا کمتر از صفر درجه سلسیوس باشد؛ در همین رابطه، دانشمندان کشف کرده‌اند که آب در این حالت دو ساختار مجزا دارد!

به تازگی فیزیکدانان با بررسی شرایط آب فوق سرد دریافته‌اند که این ماده از دو مایع مجزا که درون یک مایع قرار گرفته‌اند، تشکیل شده است. در بحث فیزیک وقتی دمای آب را شدیدا از صفر درجه سلسیوس پایین‌تر می‌بریم، به حالت فوق سرد می‌رسیم و کشف اخیر هم در نوع خود شگفتی‌هایی را به ما نشان داده که بسیار خبرساز شده‌اند.

آب شگفتی‌های خاص خود را دارد؛ تجربه هر روزه ما می‌گوید که اگر این ماده به دمای زیر صفر برسد، از حالت مایع به جامد تبدیل شده و به شکل یخ درمی‌آید. با این وجود تغییر مورد نظر به همین سادگی‌ها نبوده و بررسی‌های جدید نشان داده که یخ هم شگفت‌های منحصر به فرد خود را دارد.

در دنیای آکادمیک انجماد آب با نام کریستالیزه شدن هم شناخته می‌شود و در حالی که از بیرون، تمامی آب‌های زیر صفر درجه تقریبا مشابه هم هستند، بسته به نوع فرآیندهای اعمال شده در این انجماد، محصول نهایی و نوع کریستالیزه شدن آب می‌تواند تغییرات شگفت‌انگیزی را به همراه داشته باشد.

اما روش‌هایی برای رسیدن به آب فوق سرد وجود دارد که از طریق آن‌ها، در عین پایین آوردن دمای آب به میزان بسیار بیشتری نسبت به دمای انجماد، همچنان این ماده در حالت مایع باقی می‌ماند. چنین روش‌هایی با دست‌کاری کردن دما و فشار وارده به آب از انجماد و کریستالیزه شدن آن جلوگیری کرده و تحقیق جدید دانشمندان که شگفتی‌های جالبی را به ما نشان داده هم به همین وضعیت مربوط می‌شوند.

تحقیق در مورد آب فوق سرد

دانشمندان با تلاش برای بررسی وضعیت آب در حالتی که هنوز منجمد نشده، اما در سردترین حالت خود قرار دارد، تحقیقات اخیر را انجام دادند. عجیب‌ترین نکته‌ای که در این بررسی‌ها مشخص شد، این بود که آب فوق سرد می‌تواند در شرایطی خاص به شکل ترکیبی از دو مایع باشد.

شیمی‌دان گرگ کیمل (Greg Kimmel) از وزارت انرژی آمریکا در این رابطه می‌گوید که بررسی‌های تیم او نشان داده که آب در حالت فوق سرد نه تنها پایدار است، بلکه وجود دو ساختار در آن نشان دهنده وجود دو مایع مجزا در این ماده خواهد بود. کیمل اظهار کرده که از گذشته ابهاماتی در مورد حالت فوق سرد آب وجود داشته و او و همکارانش نشان داده‌اند که در این حالت آب همیشه قبل از رسیدن به تعادل کریستالیزه نمی‌شود.

ویژگی‌های شگفت‌انگیز و عجیب آب فوق سرد آشکار شدند

برای این تحقیقات تیم کیمل پرتو لیزر را به لایه نازکی از یخ تاباندند تا بدون ذوب کردن تمامی یخ و با وجود حفظ دمای فوق‌العاده سرد موجود، قسمت‌های کوچکی از یخ را به صورت موقتی ذوب کرده و قبل از یخ بستن مجددا این قسمت‌ها، آن‌ها را مورد بررسی قرار دهند.

در این پنجره‌های زمانی فوق‌العاده کوچک که هرکدام تنها چند نانوثانیه طول می‌کشیدند، دیده شد که آب فوق سرد در دو حالت مجزا قرار دارد؛ حالتی پرچگال و فشرده که در کنار ساختاری کم‌چگال‌تر قرار می‌گیرد. دانشمندان در تحقیق چاپ شده اظهار کرده‌اند که آب مورد نظر از وضعیت اولیه خود برای مدت کوتاهی در یک حالت نسبتا پایدار قرار می‌گرفت و قبل از کریستالیزه شدن مجددا، فرصت بررسی در بازه دمایی مدنظر را فراهم می‌کرد.

شگفتی‌های انجماد و سرد کردن آب

کیمل می‌گوید که نتایج تیم او تاییدی بر این فرضیه هستند که آب شدیدا سرد در فشار محیطی پایین می‌تواند به شکلی مخلوطی از دو ساختار جدا باشد؛ البته محدوده دمایی این وضعیت بین ۱۳۸- و ۲۸- درجه سلسیوس است.

البته این اولین باری نیست که دانشمندان از وجود ساختار دوگانه در آب خبر می‌دهند؛ پیش از این نشان داده شده بود که در حالت مایع ترکیبی از دو ساختار در آب وجود دارد، اما پژوهش تیم کیمل اولین نمونه از تحقیقی بوده که از وجود این دوگانگی در دماهای فوق‌العاده پایین خبر می‌دهد.

در واقع دلیل اصلی که می‌توان ماده‌ای به عنوان آب فوق سرد را به وجود آورد، به شرایط محیطی مربوط می‌شود؛ وقتی ما آب را در یخچال و فریزر خود سرد می‌کنیم، می‌بینیم که پایین آمدن دما از صفر درجه سلسیوس به کریستالیزه شدن منجر می‌شود. با این حال اگر ذرات مختلف موجود در آب از جمله گرد و غبار و املاح از آن جدا شوند و شرایط محیطی دیگر فراهم شود، می‌توان این ماده را تا دمایی بسیار پایین‌تر از صفر سرد کرد قبل از اینکه انجمادی رخ دهد.

در دنیای طبیعت نمونه بارز موجود، ذرات آب قرار گرفته در قسمت بالایی اتمسفر است؛ این ذرات در حالت فوق سرد قرار دارند و از آنجایی که گرد و غبارها و املاح مورد نیاز برای انجماد آن‌ها وجود ندارد، در همان حالت باقی می‌مانند. حال اگر تنها یک دانه برف به این قسمت از جو راه پیدا کند، فرآیندی آغاز می‌شود که در شرایط مناسب تمامی آب موجود را منجمد کرده و به شکل برف به زمین می‌رساند. این تنها نمونه‌ای بوده که افراد عادی در دنیای واقعی با آب فوق سرد و اثرات آن سر و کار خواهند داشت.

شگفتی‌های آب فوق سرد

تا قبل از فراهم شدن جرقه ناشی از وجود دانه‌های برف یا هر عامل دیگری که می‌تواند فرآیند کریستالیزه شدن را آغاز کند، آب قسمت بالایی جو این قابلیت را دارد که در دماهای بسیار پایین، در حالت مایع باقی بماند. با این حال تحقیق تیم کیمل به ما نشان داده که آب مورد نظر دقیقا به هنگام سرد شدن چه وضعیتی دارد.

در لحظه کوتاهی که آب شدیدا سرد مورد نظر بررسی شد، محققان دیدند که دو ساختار پرچگال و کم‌چگال به شکل جالب‌توجهی کنار هم قرار دارند. با این حال وقتی دما از ۲۴۵ کلوین پایین‌تر می‌رود، ساختار پرچگال سهم کمتری از کل آب را به خود اختصاص می‌دهد.

کیمل در مصاحبه‌ای در این رابطه می‌گوید که تنها ظرف مدت زمان یک یا چند نانوثانیه، آب به صورت هم‌زمان در دو ساختار مجزا قرار می‌گیرد و وقتی دما تا این حد پایین باشد، ما فقط یک میلیونم ثانیه فرصت داریم تا قبل از یخ زدن مجدد آب فوق سرد آن را بررسی کنیم. با این وجود مولکول‌های آب به کوتاهی این مدت زمان اهمیتی نمی‌دهند و در همان فاصله چند نانوثانیه‌ای دو ساختار کاملا متفاوت و مجزا را تشکیل می‌دهند.

مقاله کیمل و همکارانش در ژورنال “Science” منتشر شده است.

پاسخ بدهید

وارد کردن نام و ایمیل اجباری است | در سایت ثبت نام کنید یا وارد شوید و بدون وارد کردن مشخصات نظر خود را ثبت کنید *

*