ایجاد یخی خاص با چگالی برابر با آب

محققان شکلی از یخ را ایجاد کرده‌اند که قبلاً دیده نشده بود، ساختاری نامرتب و با چگالی تقریباً مشابه آب مایع.

به گزارش سیناپرس همدان، دانشمندان با استفاده از دماهای فوق سرد و برخی از بلبرینگ های فولادی، شکل کاملاً جدید و عجیبی از یخ ساخته اند که چگالی برابر با آب مایع دارد.

یخ که به عنوان یخ بی شکل با چگالی متوسط شناخته می شود، در شکافی در تاریخچه آب یخ زده قرار می گیرد که دانشمندان مطمئن نبودند هرگز این کمبود پر شود. برخلاف یخ کریستالی که به طور طبیعی روی زمین تشکیل می شود، یخ تازه ایجاد شده ساختار مولکولی سازمان یافته ای ندارد. در عوض، مولکول‌های آن در یک عدم تطابق آشفته، بیشتر شبیه شیشه هستند، حالتی که به نام آمورف شناخته می‌شود. انواع دیگری از یخ‌های آمورف قبلا ساخته شده‌اند، اما چگالی آن‌ها یا بسیار کمتر یا بسیار چگال‌تر از آب مایع بوده است. محققان در مطالعه جدیدی که در مجله Science منتشر شد، توضیح دادند که این نسخه جدید از یخ بی شکل، تقریباً دقیقاً با چگالی آب مایع مطابقت دارد.

کریستوف سالزمن، نویسنده ارشد این مطالعه، استاد شیمی فیزیکی و مواد در دانشگاه کالج لندن، گفت: این چیزی کاملاً جدید است.

آسیاب کردن یخ

وقتی یخ به طور معمول روی زمین تشکیل می شود، مولکول های آن در یک ساختار کریستالی سازمان یافته قرار می گیرند. این یخ کریستالی یکی از ویژگی‌های عجیب H₂O است، زیرا در حالت جامد روی آب مایع شناور می‌شود نه اینکه غرق شود. این به دلیل شکاف های نسبتاً بزرگ در ساختار کریستالی یخ حاصل از آب در مقایسه با سایر موادی است که ساختارهای متراکم تری را هنگام کریستال شدن تشکیل می دهند.

با این حال، هنگامی که آب مایع به درستی دستکاری شود، می‌تواند در یک حالت نامرتب و بی‌شکل یخ بزند. اولین مورد از این حالت ها، یخ آمورف کم چگالی، در دهه 1930 کشف شد که با رسوب بخار آب بر روی سطوح بسیار سرد ساخته می شود. سالزمن گفت که این فرآیند به طور طبیعی در فضا اتفاق می افتد، بنابراین یخ بی شکل کم چگالی ممکن است رایج ترین شکل یخ در جهان باشد.

در دهه 1980، محققان کشف کردند که می توانند با فشرده کردن یخ معمولی در دماهای بسیار پایین، یخ بی شکل با چگالی بالا نیز بسازند. اما هیچ کس تا به حال یخ بی شکل با چگالی متوسط درست نکرده بود، یعنی تا زمانی که سالزمن و همکارانش یک ایده دیوانه کننده داشتند. آنها تصمیم گرفتند یخ آسیاب شده با توپ های فولادی را امتحان کنند.

آسیاب گلوله ای دستگاهی شبیه یک کوکتل شوکر بسیار پیشرفته است. یک ماده در محفظه ای با توپ های فولادی ضد زنگ قرار می گیرد و تکان داده می شود یا می چرخد تا مواد آسیاب شوند. سالزمن گفت که آسیاب گلوله ای در بسیاری از صنایع استفاده می شود، اما به ویژه در ایجاد مواد بی شکل و در آسیاب کردن مواد نرم و منجمد به پودر خوب است.

سالزمن گفت: ما گفتیم، چرا یخ آسیاب نمی کنیم و ببینیم چه اتفاقی می افتد؟

خواص عجیب و غریب

محققان انتظار داشتند که آسیاب گلوله ای فقط کریستال های یخ را به کریستال های یخ کوچکتر تبدیل کند. اما این چیزی نیست که اتفاق افتاده است. در عوض، توپ‌های فولادی در حال چرخش، کریستال‌های یخ را بریده و فشرده کردند و آنها را به حالت بی‌نظمی جدیدی سوق دادند. نتیجه؟ یخ آمورف با چگالی متوسط.

مدل‌سازی رایانه‌ای نشان داد که تشکیل یخ جدید در حالت کریستالی و خوبی شروع می‌شود و پیوندهای هیدروژنی آن شبکه‌ای شش ضلعی را تشکیل می‌دهند. برش تصادفی حاصل از آسیاب گلوله ای این پیوندهای هیدروژنی را به این طرف و آن طرف می راند و آنها را به صورت زیگزاگ آشفته به سمت بالا و پایین می برد.

شکل جدید یخ در دمای 77 کلوین یا منفی 321 درجه فارنهایت (منهای 196 درجه سانتیگراد) تشکیل می شود که دارای برخی خواص عجیب و غریب فراتر از چگالی آن 1.06 گرم بر سانتی متر مکعب (0.037 اونس در هر 0.06 اینچ مکعب) است. (چگالی آب 1 گرم در سانتی‌متر مکعب یا 0.035 اونس در 0.06 اینچ مکعب است.) سالزمن گفت که از جمله آنها این است که وقتی محققان یخ با چگالی متوسط را فشرده کردند و آن را تا دمای منفی  185 درجه فارنهایت (منهای 120 درجه سانتیگراد) گرم کردند، یخ دوباره متبلور شد و مقدار زیادی گرما آزاد کرد.

سالزمن گفت: “با سایر اشکال یخ [بی شکل]، اگر آنها را فشرده کنید و فشار را رها کنید، انگار هیچ اتفاقی نیفتاده است. اما MDA [یخ آمورف با چگالی متوسط] به نوعی این توانایی را دارد که انرژی مکانیکی را ذخیره کرده و از طریق آزاد سازی گرما آن انرژی را آزاد کند.

سالزمن گفت: یخ های آمورف با چگالی متوسط ممکن است به طور طبیعی در قمرهای یخی سیارات غول پیکر گازی ایجاد شوند، جایی که نیروهای گرانشی عظیم، یخ قمرها را فشرده و برش می دهند. اگر چنین است، انرژی مکانیکی ذخیره شده در این شکل از یخ می تواند بر تکتونیک این قمرهای Hoth مانند تأثیر بگذارد.

سالزمن گفت که درک یخ های آمورف با چگالی متوسط می تواند به محققان در درک بهتر آب مایع به طور کلی کمک کند. آب عجیب است، نه تنها به این دلیل که شکل کریستالی آن شناور است، بلکه به این دلیل که خواص منحصر به فرد دیگری مانند کشش سطحی بالا و نقطه ذوب و جوش بالا دارد. دانشمندان هنوز درباره ماهیت آب در دمای بسیار پایین بحث می کنند. سالزمن گفت که اکنون هر بحثی باید یخ آمورف با چگالی متوسط را در نظر بگیرد.

او گفت: بسیاری از درک ما از آب مایع بر روی ستون هایی استوار شد که یخ های آمورف کم چگالی و چگالی بالا وجود دارد. چگونه یخ بی شکل با چگالی متوسط در آن تصویر قرار می گیرد؟

منبع: livescience

مترجم: کیانوش کرمی