داخل لوله های کوچک، آب به جای اینکه بجوشد منجمد می شود
این واقعیت به خوبی شناخته شده است که آب در ارتفاع سطح دریا در دمای ۲۱۲ درجه فارنهایت یا ۱۰۰ درجه سلسیوس شروع به جوشیدن می کند. دانشمندان مدت هاست که پی بردند وقتی آب در فضا های بسیار کوچکی محبوس می شوند نقطه ی جوش و انجماد آن به اندازه ی ده درجه و اندی افت می کند.
به گزارش بولتن نیوز، اما اکنون یک تیم تحقیقاتی در MIT یک سری تغییرات کاملا غیر منتظره ای را کشف کرده اند: در داخل کوچکترین فضاها – نانو لوله های کربنی که قطر داخلی شان به اندازه ی چند مولکول آب است – آب حتی در دماهایی که باید بجوشد، منجمد است
این اکتشاف نشان می دهد که حتی آشناترین مواد وقتی در ساختارهایی در اندازه های نانومتری (یک میلیاردیوم متری) به دام بیفتند، رفتارشان به شدت تغییر می کند. این یافته ها ممکن است به کاربردهای جدیدی مثل سیم های یخی بینجامد، که مزیت های منحصر به فرد دمایی و الکتریکی یخ را دردمای اتاق دارا باشد.
مایکل استرانو استاد کربن در مهندسی شیمی دانشگاه MIT و کومار اگراول فوق دکتری و سه نفر دیگر نتایج آزمایش ها خود را در در مقاله ای در مجله ی Nature Nanotechnology منتشر کردند.
استرانو می گوید: "اگر شما یک سیال را داخل یک حفره ی نانومتری محبوس کنید رفتارش را که چه وقت و چطور بین حالت های جامد و مایع و گاز تغییر شکل دهد، عوض می کنید.”
چنین نتیجه ای انتظار میرفت، اما شدت تغییرات و جهت آن ( بالا رفتن نقطه ی انجماد به جای پایین آمدن) واقعا شگفت انگیز است.
در یکی از آزمایش های تیم تحقیقاتی، آب در دمای ۱۰۵ درجه سلسیوس یا حتی بیشتر منجمد شد. (اندازه گیری دقیق دما سخت است و شاید دما تا بالای ۱۵۱ درجه هم بود ولی ما حداقل مقدار را در نظر گرفتیم )
استرانو می گوید:” این مقدار فراتر از انتظار هر کسی بود. "
این آزمایش به طور قاطع نشان می دهد که تغییرات رفتاری آب داخل نانو لوله های کربنی(ساختاری به شکل نی نوشابه که کاملا از کربن ساخته شده اند و قطر چند نانو متری دارند ) دقیقا به قطر لوله ها وابسته است.
استرانو می گوید:” این لوله ها کوچکترین لوله هایی است که شما فکر می کنید.”
محققان دریافتند لوله های ۱.۰۵ نانومتری و ۱.۰۶ نانومتری باعث تفاوت فاحش ده درجه ای در نقطه ی انجماد شده است. این اختلاف فاحش کاملا غیر منتظره بود.
استرانو می گوید وقتی خیلی کوچک میشوی آن چیزی که انتظارش را داری اتفاق نمی افتد. آنجا واقعا یک فضای ناشناخته است.
در تلاش های قبلی برای فهمیدن این موضوع که آب و سیال های دیگر وقتی در چنین فضاهای کوچکی محبوس می شوند چه رفتاری از خود نشان می دهد، بعضی شبیه سازی هایی وجود داشت ولی نتایج کاملا متناقضی را نشان دادند.
بخشی از آن به خاطر این است که بسیاری از تیم ها قادر نبودند نانو لوله های کربنی خود را به طور دقیق اندازه گیری کنند یا به طور دقیق تر تشخیص نداده بودند که چنین تغییرات کوچکی چنین نتایج شگفت انگیزی را به وجود می آورد.
در واقع اینکه آب در قدم اول وارد چنین لوله های کوچکی می شوند نیز شگفت آور است. استرانو می گوید که تصور می شد نانو لوله های کربنی آبگریز یا دافع آب باشند بنابراین مولکولهای آب باید به سختی وارد این لوله ها شوند.
استرانو و تیمش از سیستم تصویر برداری فوق حساسی استفاده کرده اند که این سیستم از تکنیکی به نام طیف سنجی ارتعاشی استفاده می کند و میتواند حرکت آب در داخل لوله ها را دنبال کند بنابراین برای اولین بار جزئیات این رفتار را اندازه گیری می کنند.
تیم تحقیقاتی نه تنها حضور آب در لوله ها را بلکه حالت آن را نیز میتواند تشخیص دهد.
او می گوید "ما میتوانیم تشخیص دهیم که آب جامد، مایع یا بخار است.”
در حالی که آب قطعا در حالت جامد هست تیم تحقیقاتی از گفتن کلمه ی یخ امتناع می کنند به خاطر اینکه این عبارت اشاره به نوع خاصی از ساختار کریستالی می کند که آنها هنوز قادر نیستند که به طور قطع نشان دهند در چنین فضا هایی وجود داشته باشد.
استرانو می گوید: این لزوما یخ نیست ولی یک حالت شبیه یخ است.
از آنجا که این آب منجمد در نقطه ای بالاتر از نقطه ی جوش معمول ذوب نمی شود پس باید در دمای اتاق کاملا پایدار باشد
که آن را برای خیلی کاربرد های احتمالی به ماده ی مفیدی تبدیل می کند برای مثال سیم یخی.
به دلیل اینکه آب پروتون ها را حداقل ده برابر بهتر از مواد هادی معمولی هدایت می کند سیم یخی جز بهترین حامل های شناخته شده ی پروتون است .
او می گوید این به ما سیم هایی از آب می دهد که در دمای اتاق بسیار پایدار است.
این اکتشاف نشان می دهد که حتی آشناترین مواد وقتی در ساختارهایی در اندازه های نانومتری (یک میلیاردیوم متری) به دام بیفتند، رفتارشان به شدت تغییر می کند. این یافته ها ممکن است به کاربردهای جدیدی مثل سیم های یخی بینجامد، که مزیت های منحصر به فرد دمایی و الکتریکی یخ را دردمای اتاق دارا باشد.
مایکل استرانو استاد کربن در مهندسی شیمی دانشگاه MIT و کومار اگراول فوق دکتری و سه نفر دیگر نتایج آزمایش ها خود را در در مقاله ای در مجله ی Nature Nanotechnology منتشر کردند.
استرانو می گوید: "اگر شما یک سیال را داخل یک حفره ی نانومتری محبوس کنید رفتارش را که چه وقت و چطور بین حالت های جامد و مایع و گاز تغییر شکل دهد، عوض می کنید.”
چنین نتیجه ای انتظار میرفت، اما شدت تغییرات و جهت آن ( بالا رفتن نقطه ی انجماد به جای پایین آمدن) واقعا شگفت انگیز است.
در یکی از آزمایش های تیم تحقیقاتی، آب در دمای ۱۰۵ درجه سلسیوس یا حتی بیشتر منجمد شد. (اندازه گیری دقیق دما سخت است و شاید دما تا بالای ۱۵۱ درجه هم بود ولی ما حداقل مقدار را در نظر گرفتیم )
استرانو می گوید:” این مقدار فراتر از انتظار هر کسی بود. "
این آزمایش به طور قاطع نشان می دهد که تغییرات رفتاری آب داخل نانو لوله های کربنی(ساختاری به شکل نی نوشابه که کاملا از کربن ساخته شده اند و قطر چند نانو متری دارند ) دقیقا به قطر لوله ها وابسته است.
استرانو می گوید:” این لوله ها کوچکترین لوله هایی است که شما فکر می کنید.”
محققان دریافتند لوله های ۱.۰۵ نانومتری و ۱.۰۶ نانومتری باعث تفاوت فاحش ده درجه ای در نقطه ی انجماد شده است. این اختلاف فاحش کاملا غیر منتظره بود.
استرانو می گوید وقتی خیلی کوچک میشوی آن چیزی که انتظارش را داری اتفاق نمی افتد. آنجا واقعا یک فضای ناشناخته است.
در تلاش های قبلی برای فهمیدن این موضوع که آب و سیال های دیگر وقتی در چنین فضاهای کوچکی محبوس می شوند چه رفتاری از خود نشان می دهد، بعضی شبیه سازی هایی وجود داشت ولی نتایج کاملا متناقضی را نشان دادند.
بخشی از آن به خاطر این است که بسیاری از تیم ها قادر نبودند نانو لوله های کربنی خود را به طور دقیق اندازه گیری کنند یا به طور دقیق تر تشخیص نداده بودند که چنین تغییرات کوچکی چنین نتایج شگفت انگیزی را به وجود می آورد.
در واقع اینکه آب در قدم اول وارد چنین لوله های کوچکی می شوند نیز شگفت آور است. استرانو می گوید که تصور می شد نانو لوله های کربنی آبگریز یا دافع آب باشند بنابراین مولکولهای آب باید به سختی وارد این لوله ها شوند.
استرانو و تیمش از سیستم تصویر برداری فوق حساسی استفاده کرده اند که این سیستم از تکنیکی به نام طیف سنجی ارتعاشی استفاده می کند و میتواند حرکت آب در داخل لوله ها را دنبال کند بنابراین برای اولین بار جزئیات این رفتار را اندازه گیری می کنند.
تیم تحقیقاتی نه تنها حضور آب در لوله ها را بلکه حالت آن را نیز میتواند تشخیص دهد.
او می گوید "ما میتوانیم تشخیص دهیم که آب جامد، مایع یا بخار است.”
در حالی که آب قطعا در حالت جامد هست تیم تحقیقاتی از گفتن کلمه ی یخ امتناع می کنند به خاطر اینکه این عبارت اشاره به نوع خاصی از ساختار کریستالی می کند که آنها هنوز قادر نیستند که به طور قطع نشان دهند در چنین فضا هایی وجود داشته باشد.
استرانو می گوید: این لزوما یخ نیست ولی یک حالت شبیه یخ است.
از آنجا که این آب منجمد در نقطه ای بالاتر از نقطه ی جوش معمول ذوب نمی شود پس باید در دمای اتاق کاملا پایدار باشد
که آن را برای خیلی کاربرد های احتمالی به ماده ی مفیدی تبدیل می کند برای مثال سیم یخی.
به دلیل اینکه آب پروتون ها را حداقل ده برابر بهتر از مواد هادی معمولی هدایت می کند سیم یخی جز بهترین حامل های شناخته شده ی پروتون است .
او می گوید این به ما سیم هایی از آب می دهد که در دمای اتاق بسیار پایدار است.
منبع: مجله علمی ایران
شما می توانید مطالب و تصاویر خود را به آدرس زیر ارسال فرمایید.
bultannews@gmail.com
