کشف دمای نهایی انجماد آب

arezoo — Thu, 24 Nov 2011 14:28:44 +0000

برگردان:

احسان سنایی

فرانس پرس – به نظر شما آب در چه دمایی یخ می‌زند؟ دانشمندان که می‌گویند الزاماً صفر درجه نیست. در دماهای پایین‌تر از این هم آب می‌تواند حالت مایع خود را حفظ کند که در این‌صورت اصطلاحاً حالت "فروتافته" (Supercooled) به‌خود می‌گیرد.

به‌گفته دانشمندان، این نوع از آب، نه تنها در صفر درجه یخ نمی‌بندد که می‌تواند تا دمای منفی ۴۸ درجه سلسیوس هم به همان حالت مایع بماند. بر اساس این پژوهش، اگر بخواهید آب را به یخ بدل کنید، به نوعی "بذر یخ" نیازمندید. یعنی بلور ریزی که به‌عنوان هسته و مرجع تجمع دیگر بلورها به شمار می‌آید، اما تولید یخ از آب کاملاً خالصی که در آن هیچگونه آلودگی بیرونی یا ذره‌ای که نقش هسته رسوبی یخ‌ را ایفا کند دیده نمی‌شود، به‌واسطه رفتارهای ترمودینامیکی نامعمول مولکول H2O، کار ساده‌ای نیست.

والریا مولینلو (Valeria Molinelo)، شیمیدانی از دانشگاه یوتا و سرنویسنده مقاله مرتبطی است که امروز در نشریه علمی nature انتشار یافته. وی معتقد است تغییر ساختاری آب از حالت مایع به نوعی "یخ واسط"، توصیفی قابل قبول از "چیزی که نقطه انجماد آب را تعیین می‌کند"، به دست می‌دهد. او می‌گوید: "این یخ واسط، چیزی مابین ساختار کامل یک یخ و ساختار سیال یک مایع است. ما مشغول حل معمای دیرینه اتفاقاتی هستیم که در آب فروتافته در جریان است."

آب مایع، شبکه‌ای به‌هم‌پیوسته از مولکول‌های آب است که خود از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن ایجاد شده‌اند و با پیوند سستی موسوم به "پیوند هیدروژنی" که چیزی شبیه به کشش ناچیز ناشی از الکتریسیته ساکن است، در این شبکه به هم ارتباط پیدا کرده‌اند. به‌گفته مولینلو، یخ آب، بسته به دما و فشاری که در آن واقع شده است، شانزده شکل بلوری متفاوت دارد که هرکدام‌شان شامل آرایش متمایزی از پیوندهای هیدروژنی می‌شوند. او می‌افزاید: "چیزی که آب را جالب توجه کرده این است که نوع رفتار آب مایع از دیگر انواع مایعات متفاوت است. مثلاً یخ روی آب شناور می‌ماند، حال‌آن که اکثر جامدات، در محیط مملو از حالت مایع‌شان ته‌نشین می‌شوند، چراکه چگال‌ترند». اما چگالی آب از دمایش تبعیت می‌کند و حداکثر آن در دمای ۳.۸ درجه سلسیوس رخ می‌دهد. به همین‌واسطه هم ماهی‌ها در برکه‌ پوشیده از یخ همچنان زنده می‌مانند، چراکه به دیگر کلام، آب برکه گرم‌تر و البته پرچگال‌تر است، اما به‌گفته مولینلو، "جذاب‌ترین ویژگی آب این است که می‌توان تا دماهای زیر صفر درجه هم سردش کرد، حال‌آنکه حالت مایعش از بین نمی‌رود."

تا به‌حال، آب فروتافته را تا دمای منفی ۴۱ درجه نگه‌داشته‌اند، اما دانشمندان از مدت‌ها پیش معتقدند که حداقل دمای ممکن این حالت، از این هم کمتر است. البته آن‌ها نمی‌توانند این عدد را مشخص کنند، چراکه در این دما آب با چنان سرعتی یخ می‌زند که تعیین ویژگی‌های آب باقی‌مانده در اطرافش محال است. مولینلو و همکارش امیلی مور (Emily Moore) از دانشگاه یوتا، با کمک شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای، دست به بازسازی رفتار آب فروتافته در مقیاس‌های میکروسکوپی زدند. نرم‌افزارشان، رفتارهای ۳۲۷۶۸ مولکول آب را به‌هنگام سرد شدن تقلید می‌کرد و ظرفیت گرمایی، چگالی و سطح تراکم‌پذیری‌شان را نیز همزمان محاسبه می‌نمود. پس از چندین‌هزار ساعت محاسبه مشخص شد دمایی که در آن آب، بی‌برو برگرد از حالت مایع خود به یخ بدل می‌شود، منفی ۴۸ درجه سلسیوس است.

وقتی آب به چنین دمایی نزدیک می‌شود، چگالی‌اش کمتر و لذا ساده‌تر می‌شود آن را فشرده کرد و به‌علاوه ساختارش دچار تغییر می‌شود. در نتیجه هر مولکول آب، پیوند سستی را با چهار مولکول کناری برقرار می‌کند و یک چهاروجهی یا هرم را تشکیل می‌دهد. یخ واسط نیز چیزی مابین ساختار شیمیایی مایع و ساختار کامل یک یخ است.

این پژوهش، چیزی بیشتر از یک کنجکاوی علمی است. هواشناسانی که با مقوله زمین‌گرمایی دست به گریبان‌اند، بایستی از دمای دقیقی که در آن آب یخ می‌زند و حالت بلوری به خود می‌گیرد، اطلاع داشته باشند. آب، تا دماهای منفی ۴۰ درجه هم در ابرها دیده می‌شود. مولینلو می‌گوید: "برای تخمین مقادیر مایع یا جامد موجود در ابرها، به این دما نیازمندید. این دما، نقش مهمی را در پیش‌بینی‌های مربوط به اقلیم جهانی به خود اختصاص می‌دهد."

منبع: Agance France-Presse

توضیح تصویر:

منبع: iStockPhoto

درجه انجماد

کشف دمای نهایی انجماد آب