تبلیغات
علم و دانش - چند مولکول آب برای ساخت یخ نیاز است؟
آموختن علم و دانش بیشتر

چند مولکول آب برای ساخت یخ نیاز است؟

تاریخ:چهارشنبه 17 آبان 1391-22:20

چند مولکول آب لازم است تا کوچکترین بلور یخ ممکن را بسازیم؟ حدود 275. این نتیجه ای است که محققانی از آلمان و جمهوری چک با ساخت روشی بدیع در کاوش خوشه های بزرگی از مولکول های آب گرفته اند. یافته های آن ها می تواند برای درک شکلگیری یخ در ارتفاعات بالای جو مفید باشد.

خوشه های آب، گردایه ای از مولکول های آب هستند که با پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی کنار هم نگه داشته شده اند. تاکنون اکثر مطالعات متمرکز بر خوشه های کوچک 12 مولکولی(یا کمتر) بودند و ساختار این اجسام شباهت اندکی با توده های یخ داشت. در چند سال گذشته، دانشمندان ژاپنی روشی مبتنی بر طیف‌نگاری توسعه داده اند که خوشه های آب تا 50 مولکول را می کاود. با این وجود، تحلیل ساختاری دقیق خوشه های 100-1000 مولکولی فراتر از سطح این روش بود. اهمیت خوشه های 100-1000 تایی در این است که انتظار می رود بلور شدن یخ در این خوشه ها رخ دهد.

مشکل اصلی در خوشه های بزرگ آب، دانستن تعداد دقیق مولکول های آب در آن هاست. این کار با طیف‌نگاری جرمی و تاباندن تابش پر انرژی به خوشه ها و یونیزه کردن آن ها صورت می گیرد که می تواند خوشه را به تکه های کوچک بشکند. به علاوه، پژوهشگران ترجیح می دهند به جای خوشه های آب باردار، خوشه های خنثی را مطالعه کنند زیرا اکثر فرایندهای بلور شدن یخ در طبیعت چنین هستند.

خوشه های آب آلاییده

اکنون، پژوهشگران من جمله توماس زوک[1] از موسسه شیمی-فیزیک گوتینگن، آلمان، راهی را برای تحلیل خوشه های چندصد مولکولی خنثی آب یافته اند. موفقیت آن ها به خاطر دو ترفند هوشمندانه است. اولی این که هر خوشه آب با یک اتم سدیم آلاییده شده است. استفاده از این فلز بسیار واکنشگر، باعث می شود که آب آلاییده آسانتر از خوشه های خالص یونیزه شود و تضمین می کند که الکترون به جای جدا شدن از خوشه آب خالص، از سدیم جدا می شود.

دومین ترفند این است که قبل از یونش، خوشه های آلاییده با تابش فروسرخ تحریک شدند. این کار دمای آن ها را زیاد می کند و ساختارشان به نحوی تغییر می کند که پتاسنیل یونش آن ها کم می شود. بعد از این، خوشه ها با لیزر فرابنفش 390 نانومتر یونیزه می شوند. این لیزر به حد کافی انرژی کمی دارد که باعث شکستن خوشه ها نشود. اندازه این خوشه های آب یونیزه با استفاده از روش طیف‌نگاری جرمی زمان پرواز[2] تعیین می شود.

سپس، برای کشف ساختار آن ها، طیف فروسرخ خوشه های آب محاسبه می شود. تابش فروسرخ با عددموج های 2800 تا 3800 یک بر سانتی متر به کار رفت؛ این ها متناظر با بسامدهای نوسانی پیوندهای اکسیژن-هیدروژن هستند. طیف‌نگاری نوسانی، آرایش مولکول های آب را درون خوشه مشخص می کند. برای مثال، می دانیم که یخ بلوری در عددموج حدود 3200 بر سانتی متر، جذب بیشینه دارد در حالی که بیشینه یخ بی ریخت و آب مایع در حدود 3400 بر سانتی متر است.

تبدیل آب به یخ

زوک و همکارانش طیف فروسرخی برای اندازه خوشه(از 85 تا 475 مولکول) به دست آوردند. همان طور که انتظار می رفت، به همان نسبت که اندازه خوشه افزایش می یابد، بیشینه های طیف به سمت اعداد موج کمتر می رود. گذار از 3400 به 3200 بر سانتی متر، در حدود 275 مولکول آغاز می شود؛ در این لحظه یخ بلوری در مرکز خوشه به وجود می آید و حلقه ای از شش مولکول آب با آرایش چهار وجهی درست می شود.

به همان نسبت که اندازه خوشه افزایش می یابد، هسته بلور به تدریج رشد می کند. با 475 مولکول، طیف فروسرخ در ساختار یخ الب است: شکل گیری بلور یخ تقریبا کامل بود. این رفتار با پیش بینی های نظری گروهی دیگر در سال 2004 همخوانی دارد.

زوک می گوید:«چندان شگفت انگیز نیست که وقتی تعداد معینی مولکول آب را کنار هم می آوریم، آب بلوری می شود. اما مسئله این جاست که این اتفاق در کجا اتفاق می افتد؟ اکنون ما روشی ساخته ایم که بازه رخ دادن بلوری شدن را نشان می دهد.»

سفر به استراتوسفر...

این روش جدید به دانشمندان کمک می کند تا فرایندهای شکل گیری ابر در اتمسفر زمین را بفهمند. زوک می گوید:«نواحی در استراتوسفر وجود دارند که هیچ محل جوانه‌زنی[3] ندارند. در همین محل هاست که بلورهای یخ مستقیما از مولکول های آب شکل می گیرند.» او می افزاید:«دسنامیک این فرایند را اکنون می توان با جزییات بیشتری مدل کرد.»

فرانچسکو پاسانی[4]، شیمیدانی از دانشگاه کالیفرنیا-سن دیگو که خوشه های آب را مطالعه می کند، می گوید:«این نتایج واقعا هیجان آور هستند.» او نظرش را این طور بیان می کند:«ذرات نانومتری آب نقشی مهم در جو بازی می کند و بلورهای یخ را می توان در بسیاری از ابرها یافت. بنابراین، درک چگونگی بلوری شدن خوشه های آب، درکی بنیادین از شکل گیری و ویژگی های ابرها پدید می آورد که آن ها نیز متعاقبا بر آب و هوا و تابش زمین اثر می گذارند.»

زوک باور دارد که این پژوهش به دانشمندان کمک می کند تا برهمکنش میان خوشه های آب را در شبیه سازی های دینامیک مولکولی بهتر مدلسازی کنند. درک دقیق نحوه رفتار این خوشه های آب در حجمی از آب، هدفی کلیدی و یکی از بزرگترین مسایل حل نشده شیمی است.




داغ کن - کلوب دات کام
لطفا نظر بدهید() 
feet issues
شنبه 18 شهریور 1396 04:33
Actually no matter if someone doesn't know after that its up to other viewers that they will
help, so here it occurs.
Val
دوشنبه 25 اردیبهشت 1396 12:00
Hello, Neat post. There's a problem along with your site in internet explorer, may test this?
IE still is the market chief and a large component of other
people will pass over your wonderful writing because of this problem.
BHW
شنبه 2 اردیبهشت 1396 13:36
I was curious if you ever thought of changing the page layout of your website?

Its very well written; I love what youve got to say.
But maybe you could a little more in the way of content so people could connect with it better.
Youve got an awful lot of text for only having 1 or two pictures.
Maybe you could space it out better?
BHW
دوشنبه 28 فروردین 1396 05:26
I’m not that much of a online reader to be honest
but your blogs really nice, keep it up! I'll
go ahead and bookmark your website to come back later.
Many thanks
manicure
سه شنبه 15 فروردین 1396 01:28
What's up it's me, I am also visiting this
website on a regular basis, this web page is in fact fastidious and the users
are genuinely sharing pleasant thoughts.
رامین
پنجشنبه 31 مرداد 1392 19:39
مرسی واقعا جالبه
پاسخ سیدمحمدامین شاهمرادی : ممنون
 
لبخندناراحتچشمک
نیشخندبغلسوال
قلبخجالتزبان
ماچتعجبعصبانی
عینکشیطانگریه
خندهقهقههخداحافظ
سبزقهرهورا
دستگلتفکر
نظرات پس از تایید نشان داده خواهند شد.