روی زمین، یخ را در اشکال مختلفی میبینیم: قالبهای مکعبی، تگرگ، برف، قندیل، لایههای یخی روی رودخانهها و دریاچهها، و یخچالهای طبیعی. دلیل این گوناگونی، ساختار کریستالی ششضلعی یخ است. این ساختار باعث میشود یخ چگالی کمتری نسبت به آب مایع داشته باشد و بههمین خاطر روی آب شناور میماند؛ چه در لیوان نوشیدنی، چه در دریاچه و حتی روی اقیانوس.
یخ آب فقط به زمین محدود نمیشود، بلکه در سراسر منظومه شمسی و فراتر از آن، بسیار فراوان است. برای نمونه، در ابرهای مولکولی چگال که زادگاه ستارگان و سیاراتاند، یخ آب دیده میشود. این یخها همچنین در هسته دنبالهدارها نیز حضور دارند. اما این نوع از یخ، ساختاری بهنام “یخ آمورف با چگالی پایین (LDA)” دارد که برخلاف یخهای زمینی، ساختار بلوری منظمی ندارد.
ما میدانیم که آب، پایه حیات در زمین است. اما با وجود همهجا بودنش، هنوز چیزهای زیادی درباره آن نمیدانیم. بررسی یخ آمورف میتواند به روشن شدن برخی از این رازهای حلنشده کمک کند. در منظومه شمسی، مقادیر زیادی از این نوع یخ در سیارات غولپیکر یخی و گازی، کمربند کوییپر و ابر اورت یافت میشود. پژوهشگرانی از دانشگاه کالج لندن با استفاده از شبیهسازیهای کامپیوتری، ساختار این نوع یخ را بررسی کردند. آنها دریافتند که ساختار این یخ بهطور کامل آمورف نیست و بلورهای بسیار کوچکی درون آن وجود دارد.
با سپاس از: ناسا / JPL-Caltech / SwRI / MSSS / کاللههیکی کاننیستو.
تفاوت ساختاری چه معنایی دارد؟
دانشمندان برای مدتها تصور میکردند یخ فضایی ساختار نامنظم و بینظمی دارد، برخلاف یخی که روی زمین میشناسیم. اما چرا ساختار یخ اهمیت دارد؟
به گفتهی مایکل دیویس، سرپرست تیم تحقیق، یخ در فرآیندهای کیهانی نقش مهمی دارد:
«یخ در بسیاری از پدیدههای کیهانی نقش دارد؛ از نحوه شکلگیری سیارات گرفته تا تکامل کهکشانها و حرکت ماده در کیهان.»
شناخت ساختار این نوع یخ در مقایسه با یخهای زمینی، درک بهتری از سایر مواد شیشهای بسیار پایدار (ultrastable glasses) فراهم میکند؛ موادی که با روشهایی مشابه یخ تشکیل میشوند.
یخ آمورف با چگالی پایین برای نخستین بار در دهه ۱۳۰۸ کشف شد و نوع پرفشارتر آن در دهه ۱۳۵۸. در سال ۱۴۰۲، دیویس و تیمش موفق به شناسایی یخ آمورف با چگالی متوسط شدند؛ نوعی از یخ که چگالی آن با آب مایع برابر است. برخلاف یخهای معمولی در نوشیدنی، این نوع یخ نه روی آب میایستد و نه در آن فرو میرود؛ ویژگیای عجیب اما علمی.
آیا یخ حامل حیات به زمین بود؟
تحقیقات تیم دیویس همچنین به یکی از نظریههای پرطرفدار در زمینه منشأ حیات روی زمین، یعنی نظریه پانسپرمی (Panspermia) مربوط میشود. این نظریه میگوید شاید اجزای اولیه حیات توسط دنبالهدارهای یخی به زمین آمدهاند.
LDA ممکن بود نقش «وسیله نقلیه» را برای انتقال مولکولهایی مثل آمینواسیدها ایفا کند. اما دیویس میگوید احتمالاً این نوع یخ انتخاب مناسبی نبوده، چون ساختار نیمهبلوریاش فضای کافی برای به دام انداختن چنین مولکولهایی ندارد. البته هنوز بخشهایی از یخ کاملاً آمورف باقی میمانند که میتوانند این مولکولها را ذخیره کنند.
بررسی آزمایشگاهی یخ فضایی
به گفته دیویس، یخ فقط برای حیات مهم نیست، بلکه در فضا میتواند مادهای کاربردی باشد.
«یخ میتواند سپری در برابر پرتوها باشد یا بهعنوان منبع سوخت (هیدروژن و اکسیژن) استفاده شود. پس شناخت انواع مختلف آن بسیار مهم است.»
تیم تحقیقاتی، با استفاده از دو مدل شبیهسازیشده از آب، این ماده را تا دمای ۱۲۰- درجه سلسیوس در نرخهای متفاوتی سرد کردند. این نرخهای سرد شدن، میزان بلوری بودن و آمورف بودن یخ را تغییر میداد. آنها همچنین ساختارهای بزرگتری از یخ را ایجاد کردند که حاوی بلورهای ریز و فشرده بود. سپس این یخها را گرم کردند تا بلورها شکل بگیرند و تفاوتهای ساختاری آشکار شد.
نتیجه آن شد که حدود یکچهارم جرم یخ آمورف LDA به شکل بلوری درآمده است. این یعنی یخ بهطور کامل بینظم نیست و بخشی از ساختار پیشین خود را حفظ میکند.
پیامدهای علمی
این یافتهها نشان میدهد که تبدیل مستقیم آب مایع به یخ آمورف کاملاً بینظم، درست نیست.
کریستوف سالتسمان، همکار دیویس از بخش شیمی دانشگاه کالج لندن، میگوید:
«یخ روی زمین بهخاطر دمای نسبتاً گرم، نوعی استثناست. نظم ساختاری آن را میتوان در تقارن دانههای برف دید. در حالی که در دیگر نقاط جهان، یخ بیشتر شبیه آب منجمد و بینظم است.»
کاربردهای آینده در فناوری
سالتسمان اضافه میکند که این یافتهها ممکن است برای سایر مواد آمورف نیز پیامد داشته باشد.
«بسیاری از فناوریهای پیشرفته به این مواد نیاز دارند. مثلاً فیبرهای نوری که داده را منتقل میکنند باید آمورف باشند. اگر بلورهای کوچکی درونشان وجود داشته باشد و بتوان آنها را حذف کرد، عملکردشان بهتر میشود.»
در زبان ساده، این نوع مواد شامل یخ نیستند و در ساخت نمایشگرهای OLED، فیبر نوری، و حتی سیلیکون آمورف کاربرد دارند. شاید با بررسی این مواد همانگونه که درباره یخ انجام شد، پیشرفتهای بزرگی در فناوری رخ دهد.
