Newswise – فیزیک پر از رمز و راز است: برای یافتن چیزهایی که ارزش کاوش را دارند، به جز یک مکعب یخ نگاه نکنید. در دمای اتاق، البته، مکعب در مقابل چشمان شما ذوب می شود. اما حتی در زیر نقطه انجماد، یخ می تواند به روش های ظریفی تغییر کند که دانشمندان هنوز در تلاش برای درک آن هستند. محققان با استفاده از ابزارهای تصویربرداری در آزمایشگاه ملی آرگون (DOE) وزارت انرژی ایالات متحده، پدیده ای به نام پیش ذوب در دمای بسیار پایین تر از آنچه قبلا مشاهده شده بود را شناسایی کردند.
پیش ذوب چیزی است که باعث می شود یک تکه یخ حتی در یک روز خنک و صاف لغزنده شود. اگرچه لکه یخ زده است، اما بخشی از سطح مرطوب است، ایده ای که برای اولین بار توسط مایکل فارادی در اواسط دهه 1800 مطرح شد. ایده یک لایه از پیش ذوب شده و مایع مانند در بالای یخ، چیزهای قدیمی دیگری را باز می کند. سؤالاتی در مورد چگونگی تبدیل آب از مایع به حالت جامد به بخار – و چگونه تحت شرایط خاص می تواند هر سه در یک زمان باشد.
تصویربرداری از یخ بسیار دشوار است، زیرا در زیر پرتو الکترونی پرانرژی بسیار ناپایدار است. اگر این تکنیک را با موفقیت روی یخ نشان دهیم، تصویربرداری از مواد حساس به پرتو آسان خواهد بود.» – Jianguo Wen، دانشمند مواد در Argonne
در مطالعه اخیر، دانشمندان بلورهای یخ تشکیل شده در دمای زیر منفی 200 درجه فارنهایت را بررسی کردند. تیم از آرگون استفاده می کند مرکز مواد نانومقیاس (CNM)، یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE، برای رشد و مشاهده نانوبلورهای یخی که تنها 10 میلیونیم متر عرض دارند.
علاوه بر آنچه که این مطالعه در مورد ماهیت آب در دماهای زیر انجماد نشان می دهد، روشی را برای بررسی نمونه های حساس با جزئیات مولکولی نشان می دهد: میکروسکوپ الکترونی عبوری با دوز پایین و با وضوح بالا (TEM). TEM جریانی از الکترون ها را که ذرات زیر اتمی هستند به سمت یک جسم هدایت می کند. آشکارساز با ثبت نحوه پراکندگی الکترون ها از جسم تصویری ایجاد می کند.
برخی از مواد به اشعه حساس هستند. جیانگو ون، دانشمند مواد در Argonne و نویسنده اصلی مقاله، می‌گوید وقتی از پرتوهای الکترونی برای تصویربرداری از آنها استفاده می‌کنید، می‌توان آنها را تغییر داد یا از بین برد. یک نمونه از مواد حساس به پرتو الکترونی الکترولیت هایی هستند که ذرات باردار را مبادله می کنند باتری ها.” مطالعه دقیق آنها بدون ایجاد اختلال در ساختار آنها می تواند به توسعه یک ساختار بهتر کمک کند باتری ها.
اما برای شروع، محققان در حال آزمایش تکنیک TEM با دوز پایین بر روی آب یخ زده هستند. به هر حال، آب ارزان و فراوان است. علاوه بر این، ون گفت: «تصویربرداری از یخ بسیار دشوار است، زیرا در زیر پرتو الکترونی پر انرژی بسیار ناپایدار است. اگر این تکنیک را با موفقیت روی یخ نشان دهیم، تصویربرداری از سایر مواد حساس به پرتو آسان خواهد بود. “
تکنیک کم دوز CNM را ترکیب می کند انحراف TEM تصحیح شد دارای دوربین تخصصی برای تشخیص مستقیم الکترون. این سیستم در گرفتن اطلاعات از هر الکترونی که به یک نمونه برخورد می کند بسیار کارآمد است، بنابراین می توان با استفاده از الکترون های کمتر، تصویری با وضوح بالا به دست آورد، بنابراین نسبت به روش TEM معمولی آسیب کمتری به هدف وارد می کند.
سطح کم قرار گرفتن در معرض الکترون امکان گرفتن چیزی به ظریفی یک بلور یخ را در محل یا در محیط آن فراهم می کند. تیم تحقیقاتی از نیتروژن مایع برای رشد بلورهای 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 نقطه سه گانه، دما فقط یک تار مو بالاتر از نقطه انجماد است و فشار آن به اندازه ای کم است که یخ، مایع و بخار آب همزیستی کنند. در دماها و فشارهای زیر نقطه سه گانه، یخ مستقیماً به بخار آب تبدیل می شود.
“قواعد” رفتار آب اغلب به طور منظم در یک نمودار فاز ساده خلاصه می شود که حالت های مختلف آب را در ترکیب های مختلف دما و فشار ترسیم می کند.
تائو ژو، دانشمند مواد در Argonne و یکی دیگر از نویسندگان مقاله می گوید: «اما دنیای واقعی بسیار پیچیده تر از این نمودار فاز ساده است. ما نشان داده‌ایم که پیش‌ذوب می‌تواند بسیار پایین‌تر از منحنی اتفاق بیفتد، اگرچه نمی‌توانیم دلیل آن را توضیح دهیم.»
در ویدئویی که در طول آزمایش گرفته شده است، دو نانوکریستال مجزا در حال حل شدن در یکدیگر دیده می‌شوند، زیرا یخ تحت فشار ثابت تا 150 درجه کلوین یا منفی 190 درجه فارنهایت گرم می‌شود. اگرچه یخ هنوز بسیار زیر نقطه انجماد است، اما یک لایه مایع مانند تشکیل می دهد. این آب فوق چسبناک در میان خطوط ساده نمودار فاز، جایی که آب مستقیماً از یخ به بخار می رود، به حساب نمی آید.
این مطالعه سؤالات جالبی را مطرح می کند که می تواند در کارهای آینده بررسی شود. ماهیت دقیق لایه مایع مانندی که محققان دیدند چیست؟ اگر فشار همراه با دما افزایش یابد چه اتفاقی می افتد؟ و آیا این تکنیک راه را برای نگاهی اجمالی به «سرزمین هیچکس» هموار می‌کند، وضعیتی که در آن آب فوق‌سرد شده ناگهان از مایع به یخ متبلور می‌شود؟ مطالعه علمی چند صد ساله در مورد بسیاری از حالات آب همچنان ادامه دارد.
مقاله “ذوب مقدماتی یخ های سطحی بسیار زیر نقطه سه گانه” توسط دفتر علوم پایه انرژی DOE پشتیبانی شده و در منتشر شده است. مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم (PNAS). نویسندگان مشترک با ون و ژو عبارتند از لی یو، توماس گیج، سووو بانیک، آرناب نئوگی، هنری چان، شیائو مینگ لین، مارتین هولت، و ایلکه ارسلان از آرگون. یولین لین و ایوان لی از دانشگاه ووهان؛ و ناتان روزنمن از دانشگاه ایلینوی در شیکاگو.
