راز یخ افشا شد

همیشه این سوال وجود دارد که چرا هنگام راه رفتن روی یخ در هوای زیر صفر، بخشی از آن لغزنده و شکننده است؟ دمای هوا زیر صفر است، پس چرا می توانید یخ ذوب شده را زیر پای خود احساس کنید؟

به گزارش ایرنا، مایکل فارادی شیمیدان و فیزیکدان بزرگ بیش از 200 سال پیش این موضوع را برای اولین بار مطرح کرد، اما محققان اخیرا این سوال قدیمی را با روش نانو بررسی کردند.

فیزیک پر از رمز و رازهای مختلف است، یکی از قدیمی ترین اسرار مربوط به یخ است. یخی که زیر نقطه انجماد ذوب می شود. محققان با استفاده از ابزارهای تصویربرداری در آزمایشگاه ملی آرگون در وزارت انرژی ایالات متحده، پدیده ای به نام پیش ذوب در دماهای بسیار پایین را شناسایی کردند. پیش ذوب که می تواند دلیل ذوب یخ در دمای زیر نقطه انجماد باشد، پدیده ای است که باعث سر خوردن یخ می شود.

به گفته وب سایت Phys، این ایده برای اولین بار توسط فارادی در اواسط دهه 1800 مطرح شد. موضوع یک لایه پیش ذوب و تشکیل یک لایه مایع مانند در یخ سؤالات دیگری را در مورد چگونگی تبدیل آب به جامد و بخار و اینکه چگونه می توان تحت شرایط خاص، هر سه قسمت را به طور همزمان تجربه کرد، باز می کند.

در مطالعه جدید، محققان کریستال های یخ تشکیل شده در دمای زیر منفی 200 درجه فارنهایت را بررسی کردند. این گروه تحقیقاتی از مرکز نانو مواد آزمایشگاه ملی آرگون از زیرساخت های موجود در این آزمایشگاه برای رشد نانوبلورهای یخ استفاده کردند. در این پروژه از میکروسکوپ الکترونی عبوری برای مشاهده پدیده ها در مقیاس نانومتری استفاده شد.

به گفته جیانگو ون، یکی از محققان این پروژه، برخی از مواد در اثر تابش پرتو الکترونی از بین می روند یا دستخوش تغییرات جدی می شوند. یکی از این مواد الکترولیت هایی هستند که یون ها را با باتری تبادل می کنند. مطالعه این ساختارها در محیط طبیعی به دانشمندان کمک می کند تا در ساخت باتری های جدید موفق تر باشند.

اما در این پروژه، محققان از دوزهای بسیار ضعیف پرتو الکترونی برای جلوگیری از آسیب ساختاری به یخ استفاده کردند. این گروه می‌دانست که اگر بتوانند چنین مطالعاتی را روی یخ انجام دهند، می‌توانند تحقیقات مشابهی را بر روی سایر مواد حساس ادامه دهند.

گروه تحقیقاتی از نیتروژن مایع برای رشد کریستال های یخ روی نانولوله های کربنی در دمای 130 درجه کلوین یا منفی 226 درجه فارنهایت استفاده کردند. مطالعات قبلی پیش ذوب شدن را در نزدیکی نقطه سه گانه آب مشاهده کرده اند. در دماها و فشارهای زیر نقطه سه گانه، یخ مستقیماً به بخار آب تبدیل می شود. معمولاً برای بررسی رفتار آب از نمودارهای فازی استفاده می شود.

تائو ژو، یکی از محققان این پروژه، توضیح داد: «ما در این مطالعه نشان دادیم که پیش ذوب می‌تواند دور از منحنی فاز رخ دهد، اگرچه نمی‌توانیم دلیل آن را توضیح دهیم.

وی ادامه داد: در ویدئویی که در حین آزمایش ضبط شد، محققان نشان دادند که دو نانوبلور مجزا در حال حل شدن در یکدیگر هستند، زیرا یخ تحت فشار ثابت به 150 درجه کلوین یا منفی 190 درجه فارنهایت می‌رسد، هرچند کریستال‌ها هنوز کمتر هستند. از نقطه انجماد هستند، اما یخ یک لایه شبه مایع تشکیل می دهد.

این مطالعه سوالات مهم دیگری را مطرح می کند، مانند ماهیت دقیق لایه مایع مانند چیست؟ اگر فشار همراه با دمای یخ افزایش یابد چه اتفاقی می افتد؟ این سوالات را می توان در مطالعات آتی مورد بررسی قرار داد.