Πόσα μόρια του νερού χρειάζονται για να κάνουν πάγο;

Τρεις διαφορετικού μεγέθους ομάδες με πολύ διαφορετικές δομές 

Πόσα μόρια νερού χρειάζονται για να κάνουν το μικρότερο δυνατό κρύσταλλο πάγου; Περίπου 275: αυτό είναι το συμπέρασμα των ερευνητών ...

στη Γερμανία και την Τσεχική Δημοκρατία, οι οποίοι έχουν αναπτύξει για πρώτη φορά μια τεχνική για την ανίχνευση μεγάλων ομάδων μορίων νερού. Τα ευρήματά τους θα μπορούσαν να βοηθήσουν να χυθεί φως σχετικά με το σχηματισμό πάγου ψηλά στην ατμόσφαιρα.

Τα παγάκια είναι συμπλέγματα μορίων νερού, που συγκρατούνται μαζί μέσω διαμοριακών δεσμών υδρογόνου. Μέχρι τώρα, οι περισσότερες μελέτες έχουν επικεντρωθεί σε μικρές ομάδες με 12 μόρια ή λιγότερα και η δομή αυτών των αντικειμένων έχει μικρή ομοιότητα με τον πάγο. Κατά τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές στην Ιαπωνία έχουν αναπτύξει μια φασματοσκοπική τεχνική για να εξετάσουν "παγάκια" νερού, που περιέχουν μέχρι 50 μόρια. Ωστόσο, η λεπτομερής δομική ανάλυση των ομάδων με 100-1000 μόρια, δεν ήταν προσιτή για τις εν λόγω μελέτες.

Η κύρια δυσκολία στην ανάλυση μεγάλων ομάδων νερού είναι το να γνωρίζουμε ακριβώς πόσα μόρια περιέχουν. Αυτό γίνεται με φασματομετρία μάζας, η οποία ιονίζει τα παγάκια χτυπώντας τα με ακτινοβολία υψηλής ενέργειας, η οποία μπορεί να σπάσει τους λεπτούς πάγους σε θραύσματα. Επιπλέον, οι ερευνητές θα προτιμούσαν να μελετήσουν ουδέτερα φορτισμένες ομάδες μορίων νερού, διότι αυτές εμπλέκονται στις περισσότερες διεργασίες κρυσταλλοποίησης πάγου στη φύση.

Ενισχυμένες συγκεντρώσεις νερού

Τώρα, οι ερευνητές συμπεριλαμβανομένου του Thomas Zeuch στο Institut für Chemie Physikalische του Γκέτινγκεν της Γερμανίας, έχουν βρει έναν τρόπο για να αναλύσουν ουδέτερες συστάδες νερού που περιέχουν εκατοντάδες μόρια. Η επιτυχία τους έγκειται σε δύο έξυπνα κόλπα. Πρώτον, κάθε συστάδα νερού εμπλουτίζεται με ένα άτομο νατρίου. Χρησιμοποιώντας αυτό το ιδιαίτερα δραστικό μέταλλο σημαίνει ότι οι συστάδες νερού με πρόσμιξη, ιονίζονται πιο εύκολα από τις καθαρές συστάδες και διασφαλίζουν ότι το ηλεκτρόνιο απελευθερώνεται από το άτομο του νατρίου αντί από την ουδέτερη συστάδα νερού.

Δεύτερον, πριν ιονιστούν, οι ενισχυμένες ομάδες υποβάλλονται σε υπέρυθρη ακτινοβολία. Αυτό αυξάνει την θερμοκρασία τους, μεταβάλλοντας έτσι τη δομή τους με τέτοιο τρόπο, που μειώνει περαιτέρω το δυναμικό ιονισμού τους. Οι ομάδες μπορούν στη συνέχεια να ιονιστούν με λέιζερ 390 nm υπεριώδους ακτινοβολίας, η οποία έχει αρκετά χαμηλή ενέργεια για να αποφευχθεί ο κατακερματισμός. Τα μεγέθη αυτών των συστάδων ιονισμένου νερού προσδιορίστηκαν χρησιμοποιώντας σπεκτρομετρία μάζης.

Στη συνέχεια, προκειμένου να εξετάσουν τη δομή τους, υπολογίζονται τα φάσματα του υπέρυθρου των συστάδων νερού. Χρησιμοποιείται υπέρυθρη ακτινοβολία με μήκη κύματος μεταξύ 2800 και 3800 cm-1, που αντιστοιχούν με τις συχνότητες ταλάντωσης (stretching) των δεσμών του οξυγόνου-υδρογόνου. Αυτή η δονητική φασματοσκοπία παρέχει μια εικόνα για τη διάταξη των μορίων του νερού στο εσωτερικό του συμπλέγματος. Για παράδειγμα, είναι γνωστό ότι ο κρυσταλλικός πάγος έχει ένα ανώτατο σημείο απορρόφησης περίπου στα 3.200 cm-1, ενώ o άμορφος πάγος και τo υγρό νερό έχουν μέγιστα περίπου στα 3.400 cm-1.

Μετατρέποντας το νερό σε πάγο

Ο Zeuch και οι συνεργάτες του πέρνουν το υπέρυθρο φάσμα για τα μεγέθη που κυμαίνονται σε ένα σύμπλεγμα 85 έως 475 μόρια. Όπως αναμενόταν, υπήρχε μία μετατόπιση στο φάσμα προς χαμηλότερα μήκη κύματος σαν να αυξήθηκε το μέγεθος του συμπλέγματος. Η μετάβαση 3400 - 3200 cm-1 άρχισε σε περίπου 275 μόρια, με το πρώτο κρυσταλλικό πάγο να γίνεται στο κέντρο του συμπλέγματος, σχηματίζοντας ένα δακτύλιο από έξι μόρια με δεσμούς υδρογόνου σε μια τετραεδρική διάταξη.

Δεδομένου ότι το μέγεθος του συμπλέγματος αυξήθηκε περαιτέρω, ο κρυσταλλικός πυρήνας σταδιακά μεγάλωσε. Μέχρι 475 μόρια, το υπέρυθρο φάσμα κυριαρχείται από τη δομή πάγου : ο σχηματισμός του κρυστάλλου του πάγου ήταν πλήρης. Αυτή η συμπεριφορά ταιριάζει στις θεωρητικές προβλέψεις, που έγιναν από μια διαφορετική ομάδα ερευνητών το 2004.

"Δεν είναι μεγάλη έκπληξη ότι το νερό κρυσταλλοποιείται όταν φέρνουμε μαζί ένα ορισμένο αριθμό μορίων νερού", λέει ο Zeuch. "Αλλά το ερώτημα ήταν "Πότε συμβαίνει αυτό; " Έχουμε αναπτύξει μια τεχνική που εντοπίζει το πότε λαμβάνει χώρα η κρυσταλλοποίηση".

Πηγαίνοντας στη στρατόσφαιρα

Αυτή η νέα τεχνική θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν τις διεργασίες για το σχηματισμό νεφών στην ατμόσφαιρα της Γης. "Υπάρχουν περιοχές στη στρατόσφαιρα χωρίς σημεία πυρήνωσης όπου οι κρύσταλλοι πάγου σχηματίζονται απευθείας από τα μόρια του νερού", λέει ο Zeuch. "Η δυναμική αυτής της διαδικασίας θα μπορούσε τώρα να διαμορφωθεί με περισσότερες λεπτομέρειες."

"Αυτά είναι πραγματικά εντυπωσιακά αποτελέσματα", λέει ο Francesco Paesani, χημικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Σαν Ντιέγκο, ο οποίος μελετά ομάδες μορίων νερού. "Μόρια νερού μεγέθους νανόμετρου διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην ατμόσφαιρα και κρύσταλλοι πάγου μπορεί να βρεθούν σε πολλούς τύπους σύννεφων. Ως εκ τούτου, η κατανόηση του πώς κρυσταλλοποιούνται συστάδες νερού παρέχει θεμελιώδεις γνώσεις σχετικά με το σχηματισμό νεφών και τις ιδιότητες τους, οι οποίες με τη σειρά τους επηρεάζουν την ακτινοβολία στη Γη και το κλίμα".

Ο Zeuch πιστεύει επίσης ότι η έρευνα θα βοηθήσει τους επιστήμονες για ένα καλύτερο μοντέλο των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των συστάδων νερού σε προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής. Η κατανόηση ακριβώς του πώς αυτά τα συμπλέγματα νερού συμπεριφέρονται στο υγρό νερό, είναι ένας από τους βασικούς στόχους αυτών των μοντέλων και ένα από τα μεγάλα άλυτα προβλήματα στη χημεία.

Η έρευνα που περιγράφεται στο Science .

Πηγή, physicsworld.com

Απόδοση στα ελληνικά, Δημήτρης Γιάκας