سرمای یخ حتی سردتر شد: محققان با ایجاد یخ از قطرات کوچک به اندازه چند صد مولکول، نقطه انجماد آب را کمتر از همیشه کردند و آنچه را که ما در مورد چگونگی تشکیل یخ می‌دانیم تغییر دادند.
دانستن چگونگی و چرایی تبدیل آب به یخ برای درک طیف وسیعی از فرآیندهای طبیعی ضروری است. نوسانات آب و هوا، دینامیک ابرها و چرخه آب تحت تأثیر دگرگونی های آب-یخ و همچنین حیواناتی هستند که در شرایط یخبندان زندگی می کنند.
چوب قورباغه هابه عنوان مثال، آنها در زمستان در خشکی زنده می مانند و بدن خود را یخ زده می گذارند. این به آنها امکان می دهد سریعتر از گونه هایی که زمستان را در اعماق آب بدون یخ زدن می گذرانند، به خواب زمستانی بروند. اما کریستال های یخ می توانند غشای سلولی را پاره کنند، بنابراین حیواناتی که از این روش استفاده می کنند باید راهی برای جلوگیری از تشکیل یخ در سلول ها و بافت هایشان بیابند. درک بهتر نحوه یخ زدن آب می تواند به درک بهتر این گونه های افراطی منجر شود.
متصل: گالری دانه های برف البته هیچ دوتا شبیه هم نیستند
اگرچه قاعده اصلی این است که آب در دمای 32 درجه فارنهایت (0 درجه سانتیگراد) یخ می زند، آب در واقع می تواند در محدوده ای از دمای خنک مایع باقی بماند. درجه حرارت در شرایط خاص. تا به حال تصور می شد این محدوده در منفی 36 درجه فارنهایت (منهای 38 درجه سانتیگراد) متوقف شود. پایین تر از آن و آب باید یخ بزند. اما در مطالعه ای که در 30 نوامبر در مجله منتشر شد ارتباطات طبیعیمحققان توانستند قطرات آب را در دمای منفی 47.2 درجه فارنهایت (منهای 44 درجه سانتیگراد) در حالت مایع نگه دارند.
دو کلید برای موفقیت آنها وجود داشت: قطرات بسیار کوچک و سطح بسیار نرم. آنها با قطراتی از 150 نانومتر شروع کردند که به سختی بزرگتر از یک بود آنفولانزا ذرات ویروسی، تا 2 نانومتر، خوشه ای از 275 مولکول آب. این طیف از اندازه قطرات به محققان کمک کرد تا نقش اندازه را در تبدیل آب به یخ کشف کنند.
هادی قاسمی، یکی از نویسندگان این مطالعه، استاد مهندسی مکانیک در دانشگاه هیوستون، به لایو گفت: «ما همه این محدوده‌ها را پوشش داده‌ایم تا بتوانیم شرایطی را که تحت آن یخ تشکیل می‌شود درک کنیم - چه دما، چه اندازه قطرات.» علوم پایه. و مهمتر از آن، ما دریافتیم که اگر قطرات آب با مقداری مواد نرم پوشانده شوند، دمای انجماد را می توان تا دمای بسیار پایین سرکوب کرد.
ماده نرمی که آنها استفاده کردند اکتان بود، روغنی که هر قطره در منافذ نانومقیاس یک غشای آلومینا آنودایز شده را احاطه می کند. این به قطرات اجازه داد تا با فشار بیشتر شکل گردتری پیدا کنند که به گفته محققان برای جلوگیری از تشکیل یخ در این دماهای پایین ضروری است.
از آنجایی که به طور کلی مشاهده فرآیند انجماد در چنین مقیاس کوچکی غیرممکن است، محققان از معیارهای هدایت الکتریکی - زیرا رسانای یخ بیشتر از آب است - و نور ساطع شده در طیف مادون قرمز برای ثبت لحظه و دمای دقیق قطرات استفاده کردند. از آب به یخ تبدیل شده اند.
آنها دریافتند که هر چه قطره کوچکتر باشد، برای تشکیل یخ باید سردتر باشد - و برای قطرات 10 نانومتری و کوچکتر، سرعت تشکیل یخ به طور چشمگیری کاهش یافته است. در کوچکترین قطراتی که آنها اندازه گیری کردند، یخ تشکیل نشد تا زمانی که آب به انجماد استخوان منهای 44 درجه سانتیگراد برسد.
آیا این بدان معناست که قطرات میکروسکوپی در ابرها و سلول‌های بیولوژیکی می‌توانند حتی سردتر از آنچه فکر می‌کردیم شوند؟ قاسمی گفت: به عنوان یک دانشمند می گویم هنوز نمی دانیم.
قاسمی گفت اما این کشف می تواند به معنای چیزهای بزرگی برای جلوگیری از یخ بر روی مواد مصنوعی، مانند مواردی که در هوانوردی و سیستم های انرژی وجود دارد، باشد. اگر یخ زدن آب روی سطوح نرم بیشتر طول بکشد، مهندسان می توانند مخلوطی از مواد نرم و سخت را در طرح های خود بگنجانند تا از تجمع یخ روی آن سطوح جلوگیری کنند.
قاسمی گفت: راه های زیادی وجود دارد که می توانید از این دانش برای طراحی سطوح برای جلوگیری از یخ استفاده کنید. هنگامی که این درک اساسی را به دست آوردیم، گام بعدی صرفاً مهندسی این سطوح بر اساس مواد نرم است.
در ابتدا در Live Science منتشر شد.