چند مولکول آب برای ساخت یخ نیاز است؟ !

[∆ MeRzaD ∆]

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.

این پژوهش در ساینس به چاپ رسیده است.