پیچیدگی نقطه انجماد آب

به گزارش خبرگزاری رسا به نقل از جام‌جم آنلاین، نقطه انجماد آب یکی از چیز‌هایی است که همه ما در دوران مدرسه یاد می‌گیریم: صفر درجه سانتی‌گراد. با این حال، این موضوع مانند بسیاری از چیز‌هایی که در مدرسه یاد می‌گیریم، پیچیده‌تر از آن چیزی است که در ابتدا به ما آموزش داده می‌شود. در واقع، آب نقاط انجماد زیادی دارد و اغلب برای یخ زدن به دمای بسیار کمتر از صفر درجه سانتی‌گراد نیاز دارند. اکنون رکورد سردترین دمایی که آب می‌تواند همچنان در آن مایع باقی بماند شکسته شده است. دانش به دست آمده در این فرآیند می‌تواند کاربرد‌هایی از پیوند اعضا تا هوانوردی داشته باشد.

در دمای زیر صفر درجه سانتی‌گراد، آب همچنان به یک محل هسته‌زایی نیاز دارد که در اطراف آن بتواند یخ بزند. آب بسیار خالص و ساکن فاقد مکان‌های هسته‌زایی است و می‌توان آن را تا دمای زیر صفر درجه سانتی‌گراد بدون یخ زدن خنک کرد؛ یک نمایش محبوب برای کسانی که می‌خواهند ثابت کنند جهان مکانی پیچیده است. با این حال، وقتی همه چیز را به اندازه کافی سرد کنید، حتی خلوص آن مانع از انجماد آب نمی‌شود.

دکتر هادی قاسمی از دانشگاه هیوستون در حال بررسی عواملی است که زمان یخ زدن آب فوق سرد را تعیین می‌کند. در این فرآیند، قاسمی و همکارانش در مقاله‌ای در نشریه Nature Communications اعلام کرده‌اند که رکورد سردترین آب مایع را شکسته‌اند؛ ۴۴- درجه سانتی‌گراد. این دما ۶ درجه سانتی‌گراد کم‌تر از رکورد قبلی است.

قطرات آبی که قاسمی برای ثبت رکورد جدید استفاده کرد بسیار کوچک بود و فقط چند نانومتر قطر داشت.

کاوش تجربی دمای انجماد چند قطره آب نانومتری یک چالش حل نشده بوده است. قاسمی در بیانیه‌ای گفت: «در این پژوهش با مترولوژی‌های جدید توسعه‌یافته، توانسته‌ایم انجماد قطرات آب را از مقیاس میکرون تا مقیاس ۲ نانومتری بررسی کنیم.» این مقاله خاطرنشان می‌کند، مشکل این است که قطرات ریز آب احتمالاً یا تبخیر می‌شوند یا به هم می‌چسبند و مطالعه جداگانه آن‌ها را دشوار می‌کند.

قاسمی گفت: «ما متوجه شدیم که اگر یک قطره آب با یک رابط نرم در تماس باشد، دمای انجماد می‌تواند به طور قابل توجهی کمتر از سطوح سخت باشد.»

نویسندگان قطرات با اندازه‌های مختلف را در منافذ غشای اکسید آلومینیوم، محصور شده توسط روغن، قرار دادند و تفاوت عمده‌ای در نقطه انجماد قطره‌های بین ۱۰ و ۲ نانومتر را گزارش کردند.

بدون روغن، دیواره‌های غشاء به عنوان محل هسته عمل می‌کند و قطرات در دمای صفر درجه سانتی‌گراد یا نزدیک به آن منجمد می‌شوند. با این حال، ترکیب فشار روغن و عدم وجود سطح سخت، قطرات را مایع نگه می‌داشت.

تحقیقات قبلی نشان داده است که برای تشکیل یخ کریستالی از آب مایع حداقل ۲۷۵ مولکول لازم است. قطرات بسیار کوچکتر از ۲ نانومتر فاقد مولکول‌هایی برای تشکیل کریستال‌های یخ هستند و مشخص شده است که برای هسته شدن به دمای ۱۸۳- تا ۱۵۸- درجه سانتی‌گراد نیاز دارند، اما چیزی که کوچک‌تر است لزوما مایع در نظر گرفته نمی‌شود.

نمونه‌هایی در دنیای واقعی برای انعطاف‌پذیری نقطه انجماد آب وجود دارد. برخی از حیوانات در مواجهه با چالش زنده ماندن در زمستان‌های سرد مواد شیمیایی ضد یخ می‌سازند یا برای گرم نگه داشتن خود موادغذایی را سوخت‌وساز می‌کنند. با این حال، برخی دیگر به خود اجازه می‌دهند منجمد شوند، اما این کار را با شرایط خود انجام می‌دهند تا سلول‌هایشان پاره نشود، اتفاقی که معمولاً وقتی کریستال‌های یخ از داخل تشکیل می‌شود اتفاق می‌افتد. قورباغه‌های جنگلی استادان این هنر هستند، اما نحوه انجام این کار به طور کامل درک نشده است.

تقلید موفقیت‌آمیز ممکن است به بیمارستان‌ها این امکان را بدهد که به جای نیاز به انجام پیوند تحت فشار زمان، عضو پیوندی را فریز کنند، یا تشکیل یخ روی بال‌های هواپیما را کنترل کنند. حتی درک چگونگی این پدیده می‌تواند مدل‌سازی تشکیل ابر و در نتیجه پیش‌بینی آب و هوا را بهبود بخشد.