Havadaki su, buz oluşumunun atomik yapısını ilk kez görselleştirerek doğrudan katı buza dönüştürülebilir.
Soğuk günlerde, havadaki su buharı doğrudan katı buza dönüştürülerek pencere camının veya arabanın ön camının yüzeyinde ince bir buz tabakası biriktirilebilir. Bu süreç sıradan olmasına rağmen, fizikçileri ve kimyagerleri on yıllardır ayrıntıları bulmakla meşgul etti. Nature dergisinde yayınlanan yeni bir araştırma makalesinde, uluslararası bir bilim insanı ekibi, iki boyutlu buzun atomik yapısının oluştuğu zaman ilk görselleştirmesini anlattı. Bu keşifler, bilgisayar simülasyonları tarafından yönlendirildi ve bu keşiflerden içgörüler elde etmek için deneysel çalışmalara ilham verdi.
Bir gün malzeme tasarımı için bilgi sağlayarak buz çözme sürecini daha kolay ve ucuz hale getirebilir. Pennsylvania Üniversitesi'nde atmosfer kimyacısı olan Joseph S. Francisco, araştırmanın yazarı şunları söyledi: Çok heyecan verici bulduğum bir şey, buzun nasıl büyüdüğü ve bu yapıyı nasıl anladığına dair geleneksel görüşe meydan okumasıydı. Çok önemli Düşük boyutlu su, doğada her yerde bulunur ve malzeme bilimi, kimya, biyoloji ve atmosfer bilimi dahil olmak üzere inanılmaz derecede geniş bir bilimsel alanda önemli bir rol oynar.
Bunun pratik sonuçları da vardır, örneğin rüzgar türbinleri gibi şeyler için buz çözme kritiktir, çünkü rüzgar türbinleri buzla kaplandığında çalışamaz. Su ve yüzey arasındaki etkileşimi anlarsak, buz çözmeyi kolaylaştıran yeni malzemeler geliştirebiliriz. Son yıllarda, Francisco laboratuvarı, katı yüzey arayüzünde suyun, özellikle de buzun davranışını incelemeye büyük bir enerji ayırdı. Bu bağlamda buzun büyüme mekanizmasını ve yapısını anlamak, buzun daha karmaşık durumlarda nasıl davrandığını anlamaya yardımcı olur.
Örneğin, atmosferdeki diğer kimyasallar ve su buharı ile etkileşime girdiğinde. Araştırmacılar, gaz faz geçişleri sırasında buzun kimyasıyla ilgileniyor çünkü bu, atmosferde meydana gelen reaksiyonlarla ilgili. Buz büyümesinin temel ilkelerini anlamak için, araştırmacılar bu araştırma alanına iki boyutlu yapıları inceleyerek girdiler: sadece birkaç su molekülü kalınlığında bir buz tabakası. Önceki iki boyutlu buz araştırmalarında, çalışma buzun büyüme şeklinin yüzeyin suyu itip itmediğine veya çekip çekmediğine ve yüzeyin yapısına bağlı olduğunu göstermek için hesaplama yöntemleri ve simülasyonlar kullandı. Mevcut araştırmada simülasyonu gerçek dünyada doğrulamaya çalıştım ve Pekin Üniversitesi'nden bir ekiple iletişime geçtim:
Pekin Üniversitesi araştırma ekibi, buzun iki boyutlu bir görüntüsünü alıp alamayacaklarını görmek için, incelenen materyali "hissetmek" için mekanik bir sonda kullanan ve geri bildirimi nano çözünürlüklü bir görüntüye dönüştüren süper güçlü bir atomik kuvvet mikroskobu kullandı. Atomik kuvvet mikroskobu, yapısal bilgileri malzemenin kendisine minimum hasar vererek yakalayabilir ve bilim adamlarının buz oluşumu sırasında ortaya çıkan kararsız ara yapıları bile tanımlamasına olanak tanır. Altıgen yapısından dolayı yeryüzünde doğal olarak oluşan hemen hemen tüm buzlara altıgen buz denir ve bu nedenle kar tanelerinin altı kat simetrisi vardır.
Bir altıgen buz düzlemi, iki boyutlu bir buz yapısına benzer ve iki tür kenarda sona erebilir: "Zigzag" veya "Koltuk". Genellikle bu doğal buz düzleminin sonu pürüzlü bir kenardır. Bununla birlikte, buz iki boyutta büyüdüğünde, araştırmacılar büyüme modelinin farklı olduğunu buldular. Mevcut araştırmalar, ilk kez, "koltuk" kenarlarının stabilize edilebileceğini ve büyümelerinin, bilinenlerden tamamen farklı bir mekanizma olan yeni bir tepki yolunu izlediğini gösteriyor. Daha önce zikzak büyüme modelinin sadece altı üyeli su moleküllerinden oluştuğu düşünülse de, hesaplamalar ve atomik kuvvet mikroskobu, beş üyeli halkaların bulunduğu bir ara aşamayı ortaya çıkardı.
Bu sonuç, yüzeyin özelliklerine bağlı olarak buzun bir yüzeyde iki farklı şekilde büyüyebileceğini bulan PNAS makalesinde bildirilen deneysel gözlemleri açıklamaya yardımcı olabilir. Araştırmada kullanılan teknoloji, gelecekte buzlanmaya yardımcı olacak malzemelerin tasarımına ilişkin içgörüler sağlamanın yanı sıra, iki boyutlu buz dışındaki büyük bir iki boyutlu malzeme sınıfının büyümesini keşfetmek için de uygundur, böylece düşük boyutlu maddenin yapısını ve dinamiklerini görselleştirmenin bir yolunu açar. Yeni yol. İki boyutlu çalışmalar, arka planın temelini oluşturur.Bu hesaplamaları deneylerle doğrulamak çok iyidir, çünkü hesaplamalara geri dönmemize ve üç boyuta doğru cesur bir sonraki adımı atmamıza izin verir.
Brocade | Araştırma / Gönderen: Pennsylvania Üniversitesi
Referans Dergisi "Nature"
DOI: 10.1038 / s41586-019-1853-4
Brocade Park Bilim, Teknoloji, Bilimsel Araştırma, Popüler Bilim
