في سلسلة من التجارب، تمكن علماء معهد وايزمان للعلوم من حل لغز العلاقة بين التيار الكهربائي ودرجة حرارة تجمد الماء فائق التبريد. وبعيدًا عن الاهتمام العلمي، قد تؤدي النتائج التي توصلوا إليها إلى تعزيز التطبيقات في مجالات متنوعة تتطلب التحكم في تكوين الجليد
تعلمنا في دروس العلوم في المدرسة أن الماء يتجمد عند درجة صفر مئوية، لكن الواقع كالعادة أكثر تعقيدًا. على الرغم من أن الجليد يتحول إلى ماء عند 0 درجة، إلا أن الماء في حالة "التبريد الفائق" يمكن أن يظل سائلاً حتى عند 0 درجة تحت الصفر. والحقيقة الأخرى التي تزيد الأمور تعقيدًا هي أن الماء "شديد البرودة" يتجمد فورًا عند تعرضه لتيار كهربائي، كما اكتشف الفيزيائي لويس دوفور في عام 40.
وظلت هذه الظاهرة، التي تسمى "التجميد الكهربائي"، لغزا لأكثر من 150 عاما. مؤخرا، بسلسلة من التجاربتمكن علماء معهد وايزمان للعلوم من حل لغز العلاقة بين التيار الكهربائي ودرجة حرارة تجمد الماء فائق التبريد. وبعيدًا عن الاهتمام العلمي، قد تؤدي النتائج التي توصلوا إليها إلى تقدم التطبيقات في مجالات متنوعة حيث يكون التحكم في تكوين الجليد مطلوبًا - بدءًا من تجميد الطعام وتجميد الأعضاء للزراعة وحتى منع تكوين الجليد على أجنحة الطائرات وسحب البذر.
تتشكل رقاقات الثلج عادة حول بلورات صغيرة تسمى "النوى المتجمدة". وفي دراسات سابقة، أظهر علماء المعهد أن البلورات القطبية، وهي كهربية حرارية - أي تلك التي يكون سطحها عند القطبين مشحونا كهربائيا عند تسخينها أو تبريدها - تنتج الجليد حولها عند درجة حرارة أعلى من البلورات غير القطبية. . وبعد حوالي عقدين من الزمن، أظهر علماء المعهد أن الشحنات الكهربائية السلبية أو الإيجابية تؤثر على درجة حرارة التجمد بشكل مختلف. ومع ذلك، فإن العلاقة بين الكهرباء والتجميد لا تزال لغزا.
وفي الدراسة الجديدة، قام مجموعة من العلماء بقيادة البروفيسور. ايجور لوبوميرسكيالبروفيسور مئير لاهاف والدكتور ديفيد أهارا من قسم المواد والأسطح إذا حدث "التجميد الكهربائي" بسبب الشحنة الكهربائية أو بسبب الخصائص الهندسية للبلورات المشحونة. ركزت التجارب، التي قادتها الدكتورة صوفيا كورلاند، وهي طالبة بحث دكتوراه، وطالبة الماجستير ليا شافيت، على البلورات الكهربية الحرارية وتم إجراؤها في جهاز فريد من نوعه سمح للعلماء بتغيير الشحنة الموجودة على سطح البلورات دون تغيير خصائصها. خصائص أخرى.
عندما قام العلماء بتبريد البلورات اكتشفوا علاقة مدهشة بين درجة حرارة التجمد ودرجة الاستقطاب ومستوى الحموضة لقطرات الماء التي تكثفت على سطح البلورة: بينما في البلورات القطبية عندما كان مستوى الحموضة مرتفعا وكانت درجة حرارة التجمد أعلى بمقدار 3 إلى 5 درجات مئوية، وفي البلورات غير القطبية كانت درجة حرارة التجمد هي نفسها بغض النظر عن مستوى الحموضة. ما سبب هذا الاختلاف بين البلورات القطبية وغير القطبية؟
واكتشف العلماء أنه أثناء التبريد، تتشكل طبقة رقيقة ومستمرة من الماء على سطح الأسطح المحبة للماء (المحبة للماء) للبلورات الكهربية الحرارية، وداخل هذه الطبقة يوجد تيار كهربائي من الأيونات ينشأ نتيجة امتصاص ثاني أكسيد الكربون (CO2) من الهواء الذي ينتج في الماء أيونات كربونات الهيدروجين (البيكربونات) أحد مشتقات حمض الكربونيك. وجود كمية كبيرة من هذه الأيونات هو ما يزيد من حموضة الماء. بمعنى آخر، تبين أن العلاقة بين التجميد والشحنة الكهربائية هي علاقة كيميائية: فالتجميد عند درجة حرارة أعلى كان بسبب كمية أيونات البيكربونات. عندما كرر العلماء تجاربهم على البلورات الكارهة للماء، لم تتشكل طبقة مستمرة من الماء على سطحها وبقيت درجة حرارة التجمد كما هي بغض النظر عن مستوى الحموضة.
هذه النتائج مثيرة للدهشة من عدة جوانب: أولا، وفقا لكتب الكيمياء المدرسية، من المفترض أن يؤدي خلط الماء مع الأيونات الأجنبية إلى خفض درجة حرارة التجمد، ولكن امتصاص ثاني أكسيد الكربون2 تسببت في ظاهرة معاكسة علاوة على ذلك، فإن التجميد يتطلب بلورات ذات بنية هندسية مشابهة للثلج، فكيف تأثر تكوين الجليد بجزيئات البيكربونات؟
وللإجابة على هذه الأسئلة تعاون علماء المعهد مع البروفيسور دانييل هاريس والدكتور كريستوف ألوليو من الجامعة العبرية في القدس. لقد أجروا حسابات مصحوبة بمحاكاة حاسوبية، ووجدوا أنه في الطبقة الرقيقة من الماء بالقرب من السطح المشحون للبلورة، تنظم أيونات البيكربونات، مع جزيئات الماء، نفسها في هياكل سداسية مستقرة تشبه بنية الأشكال السداسية للبلورة. بلورات الجليد، وبالتالي تعمل كنواة متجمدة لتكوين الجليد.
وبعد هذه التجارب اكتشف العلماء أن هناك نوعين من الأيونات: تلك الشبيهة بالبيكربونات، ذات البنية الثلاثية (المتماثلة في ثلاثة اتجاهات في مستوى معين)، والتي ترفع درجة تجمد الماء، والأيونات التي لا تمتلك مثل هذه البنية. هيكل يخفض درجة حرارة التجمد.
ونشرت النتائج في عدد خاص من المجلة العلمية Angewandte Chemie، يعني أن الزيادة في مستويات ثاني أكسيد الكربون2 قد يؤثر الغلاف الجوي على المناخ بطرق مدهشة. يهطل المطر عندما تتشكل بلورات الجليد في السحب حول جزيئات الغبار التي تعمل كنواة متجمدة. معظم هذه الجسيمات لها شحنة كهربائية، وذلك لأنها قد تكون على علاقات متبادلة مع جزيئات ثاني أكسيد الكربون2فإن زيادة تركيزات هذا الغاز الدفيئة يمكن أن تؤدي إلى زيادة هطول الأمطار في العالم - وهي ظاهرة قد تتطلب تعديلات في النماذج المناخية.
قد تكون نتائج البحث ذات صلة أيضًا بمجموعة متنوعة من التطبيقات التي تشمل تجميد الماء. على سبيل المثال، يساعدون بالفعل في فهم كيف تؤدي بلورات يوديد الفضة، المستخدمة حاليًا في تلقيح السحب، إلى زيادة هطول الأمطار: ليس فقط لأنها تمتلك بنية هندسية مشابهة للجليد، ولكن أيضًا لكونها كهربية حرارية، فإن سطحها يجذب ثاني أكسيد الكربون.2 وبالتالي رفع درجة حرارة تكوين الجليد في السحب. علاوة على ذلك، قد تساعد نتائج البحث في العثور على مواد كهروضوئية صديقة للبيئة أكثر من يوديد الفضة.
وشارك في الدراسة الدكتورة إيزابيلا فايسبوخ وشيري ديشون بن عامي من قسم المواد والسطوح في المعهد.
