دمای نهایی انجماد آب کشف شد

به گزارش ایمنا به اعتقاد محققان آب در دماهای پایین‌تر از صفر درجه هم می‌تواند حالت مایع خود را حفظ کند که در این ‌صورت اصطلاحا حالت "فروتافته" به‌ خود می‌گیرد.
به ‌گفته دانشمندان، این نوع از آب، نه تنها در صفر درجه یخ نمی‌بندد که می‌تواند تا دمای منفی ۴۸ درجه سلسیوس هم به همان حالت مایع بماند. بر اساس این پژوهش، اگر بخواهید آب را به یخ بدل کنید، به نوعی "بذر یخ" نیازمندید. یعنی بلور ریزی که به‌عنوان هسته و مرجع تجمع دیگر بلورها به شمار می‌آید، اما تولید یخ از آب کاملا خالصی که در آن هیچگونه آلودگی بیرونی یا ذره‌ای که نقش هسته رسوبی یخ‌ را ایفا کند دیده نمی‌‫شود، به ‌واسطه رفتارهای ترمودینامیکی نامعمول مولکول آب‫، کار ساده‌ای نیست.
"والریا مولینلو" شیمیدان دانشگاه یوتا و سردبیر مقاله مرتبطی است که امروز در نشریه علمی نيچر انتشار یافته است. وی اعتقاد دارد تغییر ساختاری آب از حالت مایع به نوعی "یخ واسط"، توصیفی قابل قبول از "چیزی که نقطه انجماد آب را تعیین می‌کند"، به دست می‌دهد.
او می‌گوید: «این یخ واسط، چیزی مابین ساختار کامل یک یخ و ساختار سیال یک مایع است. ما مشغول حل معمای دیرینه اتفاقاتی هستیم که در آب فروتافته در جریان است.»
آب مایع، شبکه‌ای به‌ هم ‌پیوسته از مولکول‌های آب است که خود از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن ایجاد شده‌اند و با پیوند سستی موسوم به "پیوند هیدروژنی" که چیزی شبیه به کشش ناچیز ناشی از الکتریسیته ساکن است، در این شبکه به هم ارتباط پیدا کرده‌اند. به‌گفته مولینلو، یخ آب، بسته به دما و فشاری که در آن واقع شده است، شانزده شکل بلوری متفاوت دارد که هرکدام‌شان شامل آرایش متمایزی از پیوندهای هیدروژنی می‌شوند.
او می‌افزاید: «چیزی که آب را جالب توجه کرده این است که نوع رفتار آب مایع از دیگر انواع مایعات متفاوت است. مثلا یخ روی آب شناور می‌ماند، حال ‌آن که اکثر جامدات، در محیط مملو از حالت مایع‌شان ته‌نشین می‌شوند، چراکه چگال‌ترند». اما چگالی آب از دمایش تبعیت می‌کند و حداکثر آن در دمای ۳.۸ درجه سلسیوس رخ می‌دهد. به همین ‌واسطه هم ماهی‌ها در برکه‌ پوشیده از یخ همچنان زنده می‌مانند، چراکه به دیگر کلام، آب برکه گرم‌تر و البته پرچگال‌تر است، اما به‌گفته مولینلو، "جذاب‌ترین ویژگی آب این است که می‌توان تا دماهای زیر صفر درجه هم سردش کرد، حال‌آنکه حالت مایعش از بین نمی‌رود."

تا به‌حال، آب فروتافته را تا دمای منفی ۴۱ درجه نگه‌ داشته‌اند، اما دانشمندان از مدت‌ها پیش معتقدند که حداقل دمای ممکن این حالت، از این هم کمتر است. البته آن‌ها نمی‌توانند این عدد را مشخص کنند، چراکه در این دما آب با چنان سرعتی یخ می‌زند که تعیین ویژگی‌های آب باقی‌مانده در اطرافش محال است. مولینلو و همکارش امیلی مور از دانشگاه یوتا، با کمک شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای، دست به بازسازی رفتار آب فروتافته در مقیاس‌های میکروسکوپی زدند. نرم‌افزارشان، رفتارهای ۳۲ هزار و ۷۶۸ مولکول آب را به‌هنگام سرد شدن تقلید می‌کرد و ظرفیت گرمایی، چگالی و سطح تراکم‌پذیری‌شان را نیز همزمان محاسبه می‌نمود. پس از چندین‌هزار ساعت محاسبه مشخص شد دمایی که در آن آب، بی‌برو برگرد از حالت مایع خود به یخ بدل می‌شود، منفی ۴۸ درجه سلسیوس است.
وقتی آب به چنین دمایی نزدیک می‌شود، چگالی‌اش کمتر می‫شود و لذا ساده‌تر می‫توان آن را فشرده کرد و به‌علاوه ساختارش دچار تغییر می‌شود. در نتیجه هر مولکول آب، پیوند سستی را با چهار مولکول کناری برقرار می‌کند و یک چهاروجهی یا هرم را تشکیل می‌دهد. یخ واسط نیز چیزی مابین ساختار شیمیایی مایع و ساختار کامل یک یخ است.
این پژوهش، چیزی بیشتر از یک کنجکاوی علمی است. هواشناسانی که با مقوله زمین‌گرمایی دست به گریبان‌اند، بایستی از دمای دقیقی که در آن آب یخ می‌زند و حالت بلوری به خود می‌گیرد، اطلاع داشته باشند. آب، تا دماهای منفی ۴۰ درجه هم در ابرها دیده می‌شود. مولینلو می‌گوید: «برای تخمین مقادیر مایع یا جامد موجود در ابرها، به این دما نیازمندید. این دما، نقش مهمی را در پیش‌بینی‌های مربوط به اقلیم جهانی به خود اختصاص می‌دهد.»