مشاهده اولین بار یک انتقال دینامیکی طولانیفرضی در آب سرماگیر عمیق
توسط تِجاسری گوروراج، Phys.org
در مطالعهای جدید منتشرشده در Nature Physics، پژوهشگران موفق به اولین مشاهده تجربی یک انتقال شکننده‑به‑قوی در آب سرماگیر عمیق شدند و معمای علمی که نزدیک به سه دهه ادامه داشت را حل کردند.
غلبه بر چالشهای آزمایشی
با وجود علاقه نظری شدید و شبیهسازیهای گسترده، انتقال شکننده‑به‑قوی از مشاهده مستقیم آزمایشگاهی فرار کرد، عمدتاً به این دلیل که آب بهسرعت فوقالعادهای پس از سرد شدن زیر حدود ۲۳۵ K بلور میشود.
تحقق این پیشرفت از ترکیب روش نوآورانه نمونهگیری بر پایه قطره با لیزرهای آزاد الکترونی ایکس‑ray فوقسریع حاصل شد.
“ما آب مایع را تا –۴۵ °C با تبخیر سریع در خلا سرد کردیم، بهطوری که فقط برای لحظهای کوتاه سرماگیر باقی میماند،” نیلسون توضیح داد. “ما از پالسهای بسیار کوتاه ایکس‑ray با لیزر آزاد الکترونی ایکس‑ray (SwissFEL) استفاده کردیم که میتواند حرکت مولکولی را در مقیاس دهها فمتوسکنه پیگیری کند.”
دستگاه آزمایشی شامل تولید قطرات آب میکرونی (حدود ۱۷ µm قطر) در یک محفظه خلأ بود. در حالی که این قطرات از محفظه عبور میکردند، خنکسازی تبخیری آنها را به دماهای سرماگیر عمیق در بازه ۲۲۸ K تا ۲۷۰ K (–۴۵ °C تا –۳ °C) میبرد.
پژوهشگران سپس یک پالس لیزر مادون قرمز فمتوثانیهای را بهکار گرفتند تا یک پرش دمایی کوچکتر از ۱ K در هر قطره ایجاد کنند و نحوه بازگشت ساختار مایع به تعادل را مشاهده کردند.
تیم واکنش سیگنال پراش ایکس‑ray به هر پرش دمایی را تحت نظر داشت، نرخ آرامسازی ساختاری آب را اندازهگیری کرد و بررسی کرد که آیا کاهش سرعت دینامیک بهصورت بنیادی در نزدیکی انتقال پیشنهادی تغییر مییابد.
ردیابی آرامسازی ساختاری
با استفاده از پالسهای بسیار کوتاه ایکس‑ray از SwissFEL و SACLA، تیم الگوهای پراش ایکس‑ray زاویهباز را در فواصل زمانی متفاوت پایش کرد و بهصورت مستقیم ردیابی کرد که ساختار پیوندهای هیدروژنی آب پس از هر ارتعاش دمایی چگونه تکامل مییابد.
“در آزمایش ما، ما یک ارتعاش کوچک به آب مایع در هر دما اعمال کردیم و سپس دینامیک آرامسازی ساختاری را بهسوی وضعیت تعادل جدید در طول زمان ردیابی کردیم،” کیم گفت.
“برای ثبت این رفتار کامل و نمایانسازی انتقال شکننده‑به‑قوی در دینامیک آب، ما آرامسازی را در بازه وسیعی از مقیاسهای زمانی، از فمتوثانیه تا نانوثانیه، اندازهگیری کردیم،” نیلسون افزود.
این حساسیت ساختاری در سطح مولکولی پیشرفت قابلتوجهی نسبت به روشهای غیرمستقیم قبلی، مانند اندازهگیری ویسکوزیته یا اثر کرک نوری، نشان میدهد.
نتایج یک تقاطع دینامیکی واضح را در حدود ۲۳۳ K (حدود –۴۰ °C) نشان داد. در دماهای بالاتر از این، زمانهای آرامسازی بهسرعت با کاهش دما افزایش یافتند و رفتار توانکِشی تندی که مشخصهٔ مایعات شکننده است را دنبال کردند؛ در دماهای پایینتر از ۲۳۳ K، دادهها بهجای آن، وابستگی آرنیوسی کمتر شیبدار که معمولاً برای مایعات قوی است را نشان دادند.
اعتبارسنجی محاسباتی
شبیهسازیهای دینامیک مولکولی با استفاده از مدل آب TIP4P/2005 بهخوبی یک تقاطع شکننده‑به‑قوی مشابه را بازتولید کردند، بهطوری که انتقالی در حدود ۲۳۸.۷ K تحت شرایط مشابه با آزمایش مشاهده شد. TIP4P/2005 یک مدل کلاسیک آب است که بهصورت گسترده استفاده میشود و هر مولکول را با چهار نقاط تعامل نشان میدهد؛ این امکان را برای پژوهشگران فراهم میکند تا هم ساختار و هم دینامیک را با دقت معقولی بهدست آورند.
“بهدلیل کریستالیزاسیون سریع که انجام آزمایشها در این بازهٔ دمایی را دشوار میکند، بخش بزرگی از کارهای پیشین در این حوزه از شبیهسازیهای کامپیوتری هدایت شده است،” کیم گفت. “به همین دلیل، اعتبارسنجی و ارتباط یافتههای تجربی ما با شبیهسازیهای دینامیک مولکولی گامی مهم بود.”
دمای انتقالی که بهصورت تجربی مشاهده شد، در حدود ۲۳۳ K، کمی بالاتر از خط Widom که قبلاً در ۲۳۰ K شناسایی شده بود، قرار دارد؛ این خط جایی است که نوسانات میان پیکربندیهای محلی شبیه‑مایعات با چگالی بالا و چگالی پایین بیشترین شدت را دارد. این نکته نشان میدهد که انتقال شکننده‑به‑قوی مرتبط با تغییرات در توزیع این ترکیبات مولکولی متمایز است، نه بهمقابلهٔ انتقال شیشهای در ۱۳۶ K.
جهتهای آینده
از الگوهای آب و هوا تا شیمی زیستی، دینامیک آب اهمیت فراوانی دارد؛ بنابراین شناسایی دقیق تغییرات رفتار آن در حالت سرماگیر عمیق، فراتر از فیزیک بنیادی است.
“با حل معمای رفتار غیرعادی آب و کسب درک بهتر از دینامیک آن، میتوانیم فهم ما از بسیاری از پدیدههایی که به آب وابستهاند را ارتقا دهیم،” نیلسون گفت.
این کار همچنین قلمروهای آزمایشی جدیدی را گشوده است.
“ما هنوز بهصورت مستقیم مکانیسمهای میکروسکوپی دقیق پشت این رفتار را مشاهده نکردهایم،” کیم گفت. “ما بر این باوریم که با برخی بهبودها، امکان بررسی این مکانیسمهای زیرین بهصورت تجربی فراهم خواهد شد. همچنین اکنون یک روش برای مطالعهٔ آب زیر ۲۳۰ K داریم که درهای تحقیق در بسیاری از پدیدههای دیگر در این بازهٔ دمایی را گشوده است.”
با نشان دادن اینکه انحراف ظاهری آب توسط یک تغییر واقعی در رفتار آرامسازی قطع میشود، این مطالعه تأیید میکند که ناهنجاریهای دینامیکی آن ناشی از یک انتقال حقیقی است نه یک اثر مصنوعی ناشی از برونیابی، و از دههها کار نظری و شبیهسازی در مورد تقاطع شکننده‑به‑قوی حمایت میکند.
اطلاعات بیشتر: R. Tyburski و همکاران، مشاهده یک انتقال دینامیکی در آب فراسرد عمده، Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03112-3.
اطلاعات مجله: Nature Physics