حل معمای ۱۶۶ ساله فارادی؛ چرا سطح یخ حتی قبل از ذوب‌شدن نیمه‌مایع است؟

معمایی علمی که بیش از ۱۶۶ سال ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده بود، سرانجام پاسخی قانع‌کننده پیدا کرده است. این معما به پدیده‌ای عجیب اما بسیار مهم به نام «پیش‌ذوب» مربوط می‌شود؛ پدیده‌ای که توضیح می‌دهد چرا سطح یخ، حتی در دماهایی پایین‌تر از نقطهٔ انجماد، کاملاً خشک و جامد نیست و می‌تواند با لایه‌ای بسیار نازک و نامرئی از ماده‌ای شبیه به مایع پوشیده شود.

آب در شرایط مختلف می‌تواند در دمای بسیار پایین‌تر از صفر درجه سانتی‌گراد مایع باقی بماند، اما یکی از شگفت‌انگیزترین این حالت‌ها، وجود همین لایه نازک روی یخ است. دانشمندان از سال ۱۸۵۹ به این موضوع پی برده بودند، اما توضیحات کامل و قطعی برای آن ارائه نشده بود.

مایکل فارادی، دانشمند بزرگ قرن نوزدهم که بیشتر به‌دلیل پژوهش‌هایش در زمینه برق و نور شناخته می‌شود، در سال ۱۸۴۲ متوجه شد سطح یخ می‌تواند حتی در دماهای زیر صفر یک لایه نازک آب داشته باشد و ۱۷ سال بعد نتایج خود را منتشر کرد.

فیزیکدان‌ها با روش‌های مختلف وجود این لایه نازک بین یخ و هوا را تأیید کرده‌اند، اما هچ‌کس هیچ توضیح کاملی که برای همه پذیرفتنی باشد، ارائه نداده بود. اکنون یک تیم تحقیقاتی عمدتاً از دانشگاه پکن موفق شده است مرحله جدیدی از این پدیده را کشف کند. آن‌ها یک لایه اضافی را شناسایی کرده‌اند که حتی در دمای پایین منفی ۱۵۳ درجه سانتی‌گراد شکل می‌گیرد.

فارادی لایه مشاهده‌شده را مایع می‌دانست، اما اکنون آن را نیمه‌مایع (quasiliquid) می‌نامند. کشف جدید لایه یخ آمورف (Amorphous Ice Layer یا AIL) است؛ یعنی مولکول‌های آن مانند مایع حرکت نمی‌کنند، اما ساختار منظم یک کریستال را نیز ندارند.

پژوهشگران برای دیدن لایه پیش‌ذوب، از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) استفاده کردند تا تصویر سطح یخ را با دقت اتمی ببینند. از آنجایی که مشاهده مستقیم چینش مولکول‌ها در این لایه سخت بود، آن‌ها از یادگیری ماشین کمک گرفتند تا ساختار واقعی سه‌بعدی لایه‌ی آمورف را بازسازی کنند. ترکیب این دو روش، دیدی بسیار دقیق از چینش مولکول‌ها فراهم کرد.

محققان توضیح می‌دهند که در دمای منفی ۱۵۲ درجه سانتی‌گراد، بی‌نظمی پروتون‌ها در سطح و مرزهای بین بخش‌های کوچک یخ باعث ایجاد خلأ و کاهش قدرت پیوند بین مولکول‌ها می‌شود. این ضعف باعث می‌شود ساختار کریستالی به هم بریزد و بخش کوچکی از کریستال به لایه آمورف تبدیل شود.

پژوهشگران در مقاله خود توضیح می‌دهند که هرچند این مطالعه به یخ اختصاص دارد، روش پیشنهادی می‌تواند برای بسیاری از نانوساختارها و سطوح بی‌نظم دیگر نیز کاربرد داشته باشد. بااین‌حال، آن‌ها یادآوری می‌کنند که نقص‌های عمیق‌تر در ساختار یخ نیز اهمیت دارند و روش‌های مورد استفاده توانایی بررسی آن‌ها را ندارد.

پدیده پیش‌ذوب یکی از دلایلی است که باعث می‌شود دانه‌های برف گاهی به‌جای شش‌ضلعی، شکل مثلثی داشته باشند؛ اما این پدیده صرفاً کنجکاوی علمی نیست. پیش‌ذوب‌شدن در شکل‌گیری ابرها نقش دارد و یکی از چند توضیح رقیب برای این موضوع است که چرا می‌توان روی یخ اسکیت کرد. نویسندگان مقاله همچنین معتقدند پیش‌ذوب برای نگه‌داری مواد در حالت منجمد اهمیت دارد که به‌احتمال زیاد شامل اندام‌ها و بافت‌های مورد استفاده در پیوند نیز می‌شود.

فارادی همیشه به پدیده‌های بالقوه کاربردی علاقه داشت، اما درک پدیده پیش‌ذوب زمان زیادی برد. دلیل این تاخیر، سختی مطالعه ساختارهای سطحی بوده است؛ زیرا این سطوح با روش‌های معمول کریستالوگرافی قابل بررسی نیستند. حتی با استفاده از تکنیک‌های مدرن مانند پراش الکترون کم‌انرژی، هنوز محدودیت‌هایی وجود دارد: این روش‌ها نمی‌توانند جزئیات دقیق ساختار یخ را به خوبی نشان دهند و معمولاً نتایج را میانگین می‌کنند (یعنی روش اندازه‌گیری به جای نمایش دقیق جزئیات هر نقطه از نمونه، یک تصویر کلی و متوسط از همه بخش‌ها ارائه می‌دهد). به همین دلیل، بسیاری از پرسش‌ها و ابهامات درباره سطح یخ هنوز بی‌پاسخ مانده بود.

پژوهش در ژورنال Physical Review X منتشر شده است.