دانشمندان به‌طرز غیرمنتظره نوع جدیدی از یخ را کشف کردند

تکه‌های یخ در آب شناور می‌مانند، زیرا نسبت‌ به آب مایع چگالی کمتری دارند؛ اما پژوهشگران در تاریخ سوم فوریه در مجله ساینس گزارش کردند که یخ جدیدی کشف کرده‌اند که چگالی مشابه با چگالی آب درون لیوان آب دارد. اگر می‌توانستید این یخ را بدون اینکه فوراً آب شود، در فنجان خود بریزید، نه شناور می‌شد نه ته‌نشین، بلکه بالا و پایین می‌رفت.

یخ جدید نوع خاصی از حالت جامد آب به نام یخ آمورف است. این بدان معنا است که مولکول‌های آب درون آن مانند یخ متبلور معمول در الگوی منظمی کنار هم قرار نگرفته‌ است.

انواع دیگری از یخ آمورف قبلاً شناسایی شده است، اما چگالی آن‌ها تحت شرایط استاندارد کمتر یا بالاتر از چگالی آب بوده است. دانشمندان امیدوارند یخ آمورف تازه ساخته‌شده بتواند به حل معماهای علمی درمورد آب کمک کند.

به گزارش مجله ساینس نیوز، دانشمندان برای تولید یخ جدید از روشی به‌طرز عجیب ساده استفاده کردند. این شیوه که آسیاب گلوله‌ای نامیده می‌شود، شامل تکان‌دادن ظرفی حاوی یخ و گلوله‌های فولادی ضدزنگ است که تا دمای ۷۷ کلوین (تقریباً منفی ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد) خنک شده‌اند. پژوهشگران از روی کنجکاوی این کار را انجام دادند و انتظار نداشتند این تکنیک یخ آمورف جدیدی تولید کند.

کریستف سالزمن، شیمی‌فیزیکدان کالج دانشگاهی لندن می‌گوید: «این ایده‌ی گذرایی بود که به ذهنمان خطور کرد و فقط می‌خواستیم ببینیم چه اتفاقی می‌افتد.»

تجزیه‌و‌تحلیل پراکنش اشعه ایکس از مواد یخ‌زده بیانگر آن بود که پژوهشگران نوعی یخ آمورف ایجاد کرده‌اند. شبیه‌سازی‌ کامپیوتری اثرات آسیاب گلوله‌ای نیز نشان داد که در واکنش به نیروهای اعمال‌شده توسط گلوله‌ها، ساختاری بی‌نظم می‌تواند به‌وسیله‌ی لایه‌های یخی که در جهات تصادفی در کنار هم می‌لغزند، تشکیل شود. آندرس نیلسون، دانشمند فیزیک‌شیمی از دانشگاه استکهلم که در پژوهش مشارکتی نداشت، می‌گوید: «باید به‌عنوان دانشمند نسبت‌ به پدیده‌های غیرمنتظره ذهنتان باز باشد. انجام روش آسیاب گلوله‌ای بسیار مبتکرانه بود.»

ازآنجاکه ماده جدید توسط بر هم زدن یخ معمول ساخته شده است، رابطه آن با آب مایع ناشناخته است. مشخص نیست که آیا می‌توان یخ جدید را مستقیماً و ازطریق سرد کردن آب مایع تولید کرد. همه‌ی یخ‌های آمورف این ارتباط را با حالت مایع خود ندارند. اگر یخ جدید این ارتباط را با مایع داشته باشد، ممکن است به دانشمندان کمک کند تا ویژگی‌های عجیب آب را بهتر درک کنند.

آب گیج‌کننده است، زیرا برخی از قوانین مایعات را نقض می‌کند. به‌عنوان مثال، درحالی‌که چگالی بیشتر مایعات با سرد شدن کاهش پیدا می‌کند، چگالی آب با نزدیک‌شدن به دمای ۴ درجه سانتیگراد بیشتر می‌شود، اما وقتی دما کمتر از این می‌شود، چگالی آن کاهش پیدا می‌کند.

بسیاری از دانشمندان گمان می‌کنند عجیب بودن آب با رفتار آن به‌عنوان «مایع فراسرد» ارتباط دارد. آب خالص می‌تواند در دمای پایین‌تر از انجماد به حالت مایع باقی بماند. در چنین شرایطی تصور می‌شود که آب مایع به شکل دو فاز مختلف وجود داشته باشد: مایعی با چگالی بالا و مایعی با چگالی پایین. این طبیعت دوگانه می‌تواند رفتار آب را در شرایط معمول‌تر توضیح دهد. اما ناشناخته‌های زیادی درمورد این موضوع وجود دارد.

سالزمن و همکارانش می‌گویند یخ جدید می‌تواند شکل خاصی از آب به نام «شیشه» باشد.

شیشه‌ را می‌توان با خنک کردن مایع با سرعتی که مولکول‌ها نتوانند به ساختار بلوری درآیند، تولید کرد. شیشه‌ی درون قاب پنجره مثالی از این نوع مواد است که با سرد کردن ماسه سیلیس ذوب‌شده ساخته می‌شود، اما مواد دیگر نیز می‌توانند شیشه‌ را تولید کنند.

اگر یخ جدید حالت شیشه‌ای آب باشد، دانشمندان باید دریابند که جایگاه آن در تصویر آب به‌عنوان یک مایع دوگانه کجاست. این امر می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا متوجه شوند در شرایط فراسرد که مطالعه آن دشوار است، چه اتفاقی می‌افتد.

برخی از پژوهشگران در‌این‌باره تردید دارند که ماده جدید با فیزیک عجیب آب مایع در ارتباط باشد. توماس لورتینگ، دانشمند شیمی‌فیزیک از دانشگاه اینسبروک اتریش فکر می‌کند یخ جدید به‌جای اینکه با حالت مایع آب ارتباط داشته باشد، با بلورهای یخ بسیار کوچک نامنظم ارتباط نزدیکی دارد.

نیکلاس جیوامباتیستا، فیزیکدان محاسباتی از کالج بروکلین از دانشگاه شهری نیویورک می‌گوید اگرچه شبیه‌سازی‌های کامپیوتری گذشته نشان داده‌اند که آب می‌تواند شیشه‌هایی با چگالی‌های نزدیک به چگالی آب مایع تشکیل دهد. جیوامباتیستا که در پژوهش جدید مشارکت نداشت، می‌گوید: «آن شبیه‌سازی‌ها ساختارهای مشابه با آنچه در شبیه‌سازی یخ آسیاب گلوله‌ای دیده شد، تولید کردند. این امر سوال‌های جدیدی را ایجاد می‌کند. این نوع یخ جدید چیست؟»