کوچک‌ترین ذرات یخ، حاوی چند مولکول آب هستند؟
کوچک‌ترین ذرات یخ، حاوی چند مولکول آب هستند؟
مجله علمی ایلیاد - بر اساس تحقیقات جدید دانشمندان، کوچک‌ترین قطره‌ی آب که امکان شکل‌گیری یخ در آن وجود دارد، باید حاوی ۹۰ مولکول آب باشد. آب بر روی زمین تقریباً همیشه به صورت کریستال‌های شش وجهی وجود دارد. در اتمسفر زمین، خوشه‌های کوچک آب شکل می‌گیرند و سپس یخ می‌زنند و باعث ایجاد کریستال‌های بزرگ‌تر می‌شوند و در نتیجه تولید ابر می‌کنند. به خاطر اثرات ترمودینامیکی، اگر قطر این خوشه‌های آب از یک مقدار معین کمتر باشد، امکان ایجاد یخ به صورت پایدار در آن‌ها وجود ندارد.
سال‌های متمادی طی آزمایش‌های انجام شده و مطالعه‌ی تئوری این مساله، اندازه‌ی خوشه‌های آبی که بتوانند یخ پایدار ایجاد کنند، مورد بررسی قرار گرفته است و آخرین تخمین‌ها این است که بازه‌ی مولکولی این خوشه‌ها باید بین ۹۰ تا ۴۰۰ مولکول را شامل شود.
در گذشته مانعی که بر سر راه مطالعه‌ی آزمایشگاهی این مساله وجود داشت، این بود که سرد کردن خوشه‌های آب خنک با سرعت پایین، به نحوی که کریستال‌های یخ مناسب شکل بگیرند مشکل بود. سرد کردن سریع باعث ایجاد خوشه‌های یخ بی‌شکل می‌شود. اگر خوشه‌ها به آرامی و یکنواخت سرد نشوند، نتیجه‌ی به‌دست آمده ترکیبی ناموزون از فازهای مختلف یخ خواهد بود.
در این مطالعه‌ی جدید، تیمی بین‌المللی از محققین با ترکیب پیشرفت‌های حاصل شده در شبیه‌سازی‌ها و آزمایش‌ها به بررسی دقیق گذار یخ-آب در خوشه‌های با اندازه‌های نانومتری پرداخته‌اند. برای غلبه بر محدودیت ذکر شده در سرعت خنک‌سازی، محققین از پرتوهای مولکولی استفاده کرده‌اند که با منبسط کردن ترکیب آب و آرگون در یک نازل ۶۰ میکرومتری، خوشه‌های با اندازه‌های مطلوب تولید می‌کنند. پرتوی ایجاد شده از سه ناحیه عبور داده می‌شود تا نرخ خنک‌سازی آن پایین آورده شود و شکل‌گیری خوشه‌ها در دمای منفی ۱۲۳ درجه‌ی سانتی‌گراد صورت گیرد. محققین با استفاده از مدل‌های کامپیوتری به شبیه‌سازی خصوصیات نانوقطرات پرداختند. آن‌ها با استفاده از طیف‌سنج مادون قرمز، گذار به کریستال‌های یخ را در خوشه‌ها پایش کردند و دریافتند که آزمایش‌های انجام شده تطابق بالایی با محاسبات تئوری دارند.
دانشمندان طی آزمایش‌ها و همچنین محاسبات تئوری دریافتند که یخ در خوشه‌های ۹۰ تا ۱۵۰ مولکولی متفاوت از دیگر خوشه‌ها رفتار می‌کند. آن‌ها دریافتند که پیش‌بینی‌های انجام شده در سه دهه‌ی قبل در زمینه‌ی اثر اندازه‌ی کوچک خوشه‌ها در گذار به حالت یخ واقعیت دارد.
نتایج این یافته‌ها در کنفرانس آکادمی ملی علوم آمریکا ارائه و چاپ شده است.