اغلب ما در اولین درس‌های علوم خود یاد می‌گیریم كه اجسام در هنگام خنك

شدن منقبض می‌شوند (همین طور در هنگام گرم شدن معمولاً منبسط

می‌شوند). با این همه، آب استثنایی بر این قاعده‌ی كلی است.

توضیحی جدید برای انبساط آب در هنگام خنك شدن
 

توضیحی جدید برای انبساط آب در هنگام خنك شدن

اغلب ما در اولین درس‌های علوم خود یاد می‌گیریم كه اجسام در هنگام خنك شدن منقبض می‌شوند (همین طور در هنگام گرم شدن معمولاً منبسط می‌شوند). با این همه، آب استثنایی بر این قاعده‌ی كلی است.

این ماده‌ی معمولی در هنگام خنك شدن به جای منقبض شدن معمولاً منبسط می‌گردد. برخی دانشمندان برای توجیه این پدیده، از مدل «مخلوط» استفاده كرده‌اند كه مدعی آن است كه مؤلفه‌های یخ‌گونه‌ی با چگالی كم بر اثر خنك شدن دست بالا را دارند اما ماساكازو ماتسوموتو1 در مركز تحقیقات علوم مواد دانشگاه نگویای ژاپن نظر متفاوتی دارد. او یافته‌های خود را در فیزیكال ریویولتررز تحت عنوان «چرا آب هنگام خنك شدن منبسط می‌شود؟» توصیف كرده است.

نظریه‌پردازان می‌گویند كه بر اثر خنك شدن آب مایع فوق سرد ساختار یخ مانندی در آن به وجود می‌آید، افزایش این حوزه‌های ناهمگن با چگالی كم موجب بی‌قاعدگی در چگالی می‌شود. به نظر ماتسوموتو «این توصیف ساده و منطق به نظر می‌رسد. آزمایشگران این مدل ساده‌ی نظریه‌پردازان را باور دارند و داده‌های خود را بر مبنای آن توجیه می‌كنند.»

با این همه، این ناهمگنی موجود در مدل مخلوط را آزمایش واقعاً تأیید نكرده است. ماتسوموتو مدل آب فوق سرد را در نظر گرفته است و می‌خواهد ببیند كه آیا می‌تواند ساز و كار انبساط آب را در شرایطی كه باید منقبض شود، كشف كند. ماتسوموتو روش جدیدی را برای تحلیل پیوند هیدروژنی شبكه ساختار موجود در آب فوق سرد یافته است. او دریافته است كه ساختار آب فوق سرد را می‌توان تركیبی از انواع ساختار چندوجهی مانند در نظر گرفت. او می‌گوید كه این موضوع فرصت خوبی برای آزمودن روش موردنظر اوست.

آب ماده‌ای است كه شبكه تشكیل می‌دهد. ساختار این شبكه را می‌توان به شكل اسفنج آشپرخانه درنظر گرفت. ساختار اسفنج در ابتدا به شكل كف فاقد غشاء است كه تنها پیوندهای باریكه‌ای آن باقی مانده‌اند. در هر دو شبكه‌ی آب و اسفنج آشپزخانه، چهار پیوند در یك نقطه یا گره به هم برخورد می‌كنند تا شبكه‌ای سه بُعدی با اتصالی كاتوره‌ای را تشكیل دهند. همان طور كه پلاتو در قرن نوزدهم متذكر شده است، چهار باریكه اسفنج مانند شبكه‌ی هیدروژنی آب در یك گره به صورت هرم مثلث‌القاعده به هم می‌پیوندند.

ماتسوموتو با بهره‌گیری از شبیه‌سازی رایانه‌ای سه روش تغییر حجم یافته‌های اسفنج را بررسی كرده است كه عبارت‌اند از: گسترش پیوندها، تغییر زاویه‌ی بین پیوندها و تغییر توپولوژی شبكه با فرق گذاشتن بین این سه عمال، ساز و كار موجود كاملاً نمایان می‌شود. یكی از آن‌ها در انبساط گرمایی نقش دارد، دیگری عامل انقباض گرمایی است و آخری نقشی در هیچ كدام ندارد. چگالی بیشینه در نتیجه‌ی رقابت این سه عامل حاصل می‌شود.

ماتسوموتو متوجه شده است كه كم شدن حجم ناشی از انحراف زاویه‌های پیوند از زاویه‌های چهاروجهی معمولی است. او این ایده را برای طبقه‌بندی ساختارهای موضعی نیز به كار گرفته است. او می‌گوید كه با واپیچیده شدن زاویه‌های پیوند از زاویه‌های چهار وجهی منتظم هر نوع ساختار موضعی منقبض می‌شود. آب بدون توجه به نوع ساختار موضعی، براثر واپیچیدگی زاویه‌ای گرمایی به صورت همگن منقبض می‌شود.

در حال حاضر، باز تولید شبیه‌سازی‌های ماتسوموتو به صورت تجربی كاری دشوار است. به نظر او «مشاهده‌ی ناهمگن‌های میكروسكوپی هنوز بسیار دشوار است» اما امیدوار است كه نظریه‌پردازان و آزمایشگران ایده‌ی او را به عنوان شق دیگر ایده‌ی تشكیل حوزه‌های یخ مانند با چگالی كم در آب در حال خنك شدن در نظر بگیرند. یافته‌های او در توجیه داده‌های تجربی مربوط به آب فوق سرد، همین‌طور آب در حوالی دیواره‌ها، محلول‌ها و مولكول‌های زنده تأثیر دارد.

نوشته شده در تاریخ پنجشنبه 11 آذر 1389    | توسط: مهدی قاضی زاده    |    |
نظرات()