Anomalous Freezing of Low Dimensional Water Confined in Graphene Nanowrinkles
تُبلغ هذه الدراسة عن النجاح في إنشاء نظام مستقر تُحبس فيه جزيئات الماء بشكل دائم داخل طيات نانوية من الجرافين بقطر 4 نانومتر عبر طريقة نقل مبتكرة بمساعدة النيتروسليلوز، مما مكن الباحثين من استقصاء تحولات طور التجمد الشاذة باستخدام مطيافية رامان المبردة بالتبريد بالتزامن مع محاكاة الديناميكا الجزيئية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل أن لديك قطعة قماش رقيقة للغاية وغير مرئية مصنوعة من طبقة واحدة من ذرات الكربون (الجرافين). الآن، تخيل أنك وضعت هذه القطعة فوق سطح غير مستوٍ، مثل طاولة بها تلال ووديان صغيرة. ولأن القماش رقيق ومرن للغاية، فإنه لا يستلقي بشكل مسطح ببساطة؛ بل يعلق في المرتفعات ويشكل جيوبًا صغيرة أو "ثنيات" حيث يرتفع القماش بعيدًا عن الطاولة.
في هذه الدراسة، فعل الباحثون شيئًا ذكيًا: لقد حصروا كمية ضئيلة جدًا من الماء داخل هذه الثنيات المجهرية قبل إغلاق القماش بإحكام. أرادوا معرفة ما يحدث لهذا الماء عندما يبرد، وتحديدًا استقصاء كيفية تجمده وانصهاره.
إليك ملخص بسيط لما وجدوه وكيف فعلوا ذلك:
المشكلة: الماء مراوغ في المساحات الضيقة
عادةً، يتجمد الماء إلى جليد عند درجة حرارة 0 مئوية (32 فهرنهايت). ومع ذلك، يعلم العلماء أن الماء يتصرف بغرابة عندما يُضغط في مساحات صغيرة جدًا (مثل وضعه في أنبوب دقيق أو تحت طبقة رقيقة). قد يتجمد عند درجة حرارة مختلفة أو يتحول إلى جليد يبدو مختلفًا عن الجليد الموجود في مجمدك.
كان التحدي هو أن كمية الماء المحاصرة تحت قماش الجرافين كانت صغيرة جدًا (بضع طبقات جزيئية فقط) بحيث لم تتمكن الأدوات القياسية من اكتشافها. كان الأمر يشبه محاولة سماع همسة في غرفة صاخبة باستخدام ميكروفون عادي.
الحل: الجرافين كـ "ميكروفون فائق الحساسية"
أدرك الباحثون أن الجرافين يتفاعل بحساسية مذهلة مع محيطه. تخيل الجرافين مثل غشاء طبل مشدود للغاية. إذا غيرت شد الجلد (الإجهاد) أو أضفت وزنًا صغيرًا إليه (التطعيم/الشحنة)، فإن الصوت الذي يصدره يتغير.
استخدموا تقنية خاصة لحصر الماء تحت قماش الجرافين. وبينما كانوا يبردون العينة ثم يسخنونها، سلطوا ليزرًا على الجرافين واستمعوا إلى "الصوت" (مطيافية رامان). على الرغم من أنهم لم يتمكنوا من رؤية الماء مباشرة، إلا أنه كان بإمكانهم سماع كيف يدفع الماء ويشد جلد الجرافين.
الاكتشاف: الجليد ينصهر في وقت أبكر بكثير مما هو متوقع
إليك الجزء المثير للدهشة:
- الجليد العادي: ينصهر عند 0 درجة مئوية (273 كلفن).
- الجليد المحصور: بدأ الماء المحاصر في ثنيات الجرافين بالانصهار عند حوالي 73- درجة مئوية (200 كلفن) وكان قد انصهر تمامًا بحلول 33- درجة مئوية (240 كلفن).
تصرف الماء كما لو كان في حالة "تبريد فائق" وانتقل من الحالة الصلبة إلى السائلة في وقت أبكر بكثير من الجليد الطبيعي.
كيف عرفوا ما حدث
استخدم الباحثون طريقتين للتأكد مما حدث:
- الاستماع إلى الجرافين: مع بدء انصهار الماء وتحركه بحرية أكبر، قام بتغيير التوتر والشحنة الكهربائية لجلد الجرافين. "سمع" الليزر هذا التغيير كإزاحة في تردد الصوت. كان الأمر يشبه سماع ارتخاء غشاء الطبل عندما يصبح الماء بداخله سائلًا ويتحرك.
- المحاكاة الحاسوبية: بنوا نموذجًا رقميًا ضخمًا للجرافين والماء (يحتوي على أكثر من 90,000 ذرة افتراضية) لمراقبة ما يحدث. أكدت المحاكة الحاسوبية أن جزيئات الماء انفصلت بالفعل عن مواضعها المتجمدة في وقت أبكر مما كان متوقعًا. أظهرت المحاكاة أن الماء بالقرب من الأجزاء المنحنية للثنيات (التلال) أصبح مضطربًا وغير منظم أولاً، وهي عملية تسمى "الانصهار المسبق".
الصورة الكبيرة
تظهر هذه الدراسة أن الماء عندما يُحصر في مساحة منحنية صغيرة بين طبقة جرافين وسطح ما، فإنه يفقد قدرته على البقاء متجمدًا في درجات الحرارة العادية. فهو ينصهر عند درجة حرارة أقل بكثير.
خلص الباحثون إلى أن طبقة الجرافين هذه تعمل كمستشعر مثالي وغير مرئي. من خلال مراقبة رد فعل الجرافين، يمكننا التعرف على الحياة الخفية لجزيئات الماء في المساحات الصغيرة واكتشاف أنها تتصرف بشكل مختلف تمامًا عن الماء الموجود في كوب أو مكعب ثلج. هذا يساعدنا على فهم كيفية سلوك السوائل في العالم المجهري، وهو أمر مهم لكل شيء، من البيولوجيا (داخل الخلايا) إلى المواد الجديدة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.