Πόσα μόρια του νερού χρειάζονται για να δημιουργηθεί πάγος; Περίπου 275 !
Στο συμπέρασμα αυτό κατέληξαν ερευνητές από τη Γερμανία και την Τσεχία, οι οποίοι ανέπτυξαν μια νέα τεχνική μελέτης μεγάλων ομάδων μορίων νερού. Τα ευρήματά τους θα μπορούσαν να εξηγήσουν την δημιουργία πάγου στην ατμόσφαιρα.
[caption id="attachment_15697" align="aligncenter" width="594"]
Απεικονίσεις μοριακής δομής που δείχνουν το πώς αναδύεται ο κρυσταλλικός πυρήνας ομάδων μορίων νερού, καθώς οι συστάδες των μορίων νερού αυξάνουν σε μέγεθος. Οι πρώτοι κρύσταλλοι πάγου εμφανίζονται σε συμπλέγματα που περιέχουν 275 μόρια νερού.[/caption]
Τα μόρια του νερού ενώνονται μεταξύ με δεσμούς υδρογόνου. Μέχρι τώρα οι περισσότερες έρευνες είχαν επικεντρωθεί σε μικρές ομάδες μορίων, με 12 ή και λιγότερα μόρια, αλλά η δομή αυτών των αντικειμένων έχει μικρή ομοιότητα με τον πάγο.
Τα τελευταία χρόνια, ερευνητές στην Ιαπωνία ανέπτυξαν μια φασματοσκοπική τεχνική παρατήρησης ομάδων μορίων νερού αποτελούμενες μέχρι 50 μόρια. Ωστόσο δεν είχε πραγματοποιηθεί, η λεπτομερής ανάλυση της δομής συστάδων μορίων νερού με 100 έως 1000 μόρια - όπου υπήρχε η υποψία ότι το νερό κρυσταλλώνεται σχηματίζοντας πάγο.
Η κύρια δυσκολία στην μελέτη των μεγάλων ομάδων μορίων νερού οφείλεται στο γεγονός ότι δεν γνωρίζουμε ακριβώς το πόσα μόρια περιέχουν. Αυτό γίνεται με την φασματομετρία μάζας, η οποία απαιτεί τον ιονισμό των συστάδων των μορίων με υψηλής ενέργειας ακτινοβολία, που όμως σπάει τις συστάδες των μορίων σε κομμάτια. Επιπλέον οι ερευνητές θα προτιμούσαν να μελετήσουν την ουδέτερη δομή των μορίων και όχι την φορτισμένη, διότι αυτή είναι που εμπλέκεται στις περισσότερες διαδικασίες σχηματισμού πάγου στη φύση.
Οι ερευνητές Christoph C. Pradzynski, Richard M. Forck, Thomas Zeuch1, Petr Slavíček και Udo Buck, έχουν βρει τον τρόπο μελέτης των ουδέτερων συστάδων που περιέχουν πάνω από 100 μόρια. Η επιτυχία τους έγκειται σε δύο έξυπνα κόλπα.
Πρώτον, κάθε συστάδα νερού εμπλουτίζεται με ένα μόνο άτομο Νατρίου. Χρησιμοποιώντας αυτό το ιδιαίτερα δραστικό μέταλλο ως πρόσμιξη στις συστάδες του νερού, ο ιονισμός των συστάδων μπορεί να γίνει πολύ ευκολότερα αν απελευθερωθεί το μοναδικό ηλεκτρόνιο της εξωτερικής στοιβάδας του Νατρίου. Έτσι δεν κατακερματίζονται τα συμπλέγματα των μορίων του νερού.
Δεύτερον, πριν τον ιονισμό οι ομάδες του νερού (ενισχυμένες με Νάτριο) διεγείρονται με υπέρυθρη ακτινοβολία. Έτσι αυξάνεται η θερμοκρασία τους, γεγονός που μειώνει περαιτέρω την ενέργεια ιονισμού τους. Ο ιονισμός πλέον μπορεί να επιτευχθεί με λέιζερ υπεριώδους ακτινοβολίας μήκους κύματος 390 νανομέτρων (nm). Η ακτινοβολία αυτή έχει μικρή ενέργεια και έτσι αποφεύγεται ο καταρκεματισμός των ομάδων των μορίων νερού.
Στη συνέχεια για να εξεταστεί η δομή τους μελετώνται φάσματα υπέρυθρης ακτινοβολίας. Χρησιμοποιείται υπέρυθρη ακτινοβολία με τους κατάλληλους κυματαριθμούς (2800 και 3800 cm –1) – αυτούς που αντιστοιχούν στις συχνότητες ταλάντωσης των δεσμών υδρογόνου μεταξύ των μορίων του νερού.
O Thomas Zeuch, από το Ινστιτούτο Φυσικοχημείας στο Γκέτινγκεν της Γερμανίας, και οι συνεργάτες του ανίχνευσαν το υπέρυθρο φάσμα της ακτινοβολίας που έπαιρναν από ομάδες 85 έως 485 μορίων νερού.
Παρατήρησαν ότι ο σχηματισμός πάγου ξεκινούσε με 275 περίπου μόρια νερού, με την πρώτη κρυστάλλωση να πραγματοποιείται στο κέντρο της ομάδας, σχηματίζοντας έναν δακτύλιο από έξι μόρια νερού συνδεδεμένα με δεσμούς υδρογόνου σε μια τετραδρική διαμόρφωση.
Καθώς το μέγεθος της συστάδας αυξήθηκε περισσότερο, μεγάλωνε σταδιακά και κρυστάλλωση του πυρήνα. Μέχρι τα 475 το υπέρυθρο φάσμα έδειχνε την δομή του πάγου. Αυτή η συμπεριφορά συμφωνεί με θεωρητικές μελέτες του φαινομένου που έγιναν το 2004 από μια άλλη ομάδα ερευνητών.
Αυτή η νέα τεχνική θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν την διαδικασία σχηματισμού νεφών στην ατμόσφαιρα, που με τη σειρά τους απορροφούν ακτινοβολίες από τη Γη, επηρεάζοντας έτσι το κλίμα της Γης. Ο Ζeuch πιστεύει επίσης ότι η έρευνα αυτή θα οδηγήσει τους επιστήμονες στην καλύτερη κατανόηση του μοντέλου των αλληλεπιδράσεων των ομάδων μορίων του νερού - ένα από τα άλυτα προβλήματα της χημείας.
physicsworld.com
Απεικονίσεις μοριακής δομής που δείχνουν το πώς αναδύεται ο κρυσταλλικός πυρήνας ομάδων μορίων νερού, καθώς οι συστάδες των μορίων νερού αυξάνουν σε μέγεθος. Οι πρώτοι κρύσταλλοι πάγου εμφανίζονται σε συμπλέγματα που περιέχουν 275 μόρια νερού.[/caption]
Τα μόρια του νερού ενώνονται μεταξύ με δεσμούς υδρογόνου. Μέχρι τώρα οι περισσότερες έρευνες είχαν επικεντρωθεί σε μικρές ομάδες μορίων, με 12 ή και λιγότερα μόρια, αλλά η δομή αυτών των αντικειμένων έχει μικρή ομοιότητα με τον πάγο.
Τα τελευταία χρόνια, ερευνητές στην Ιαπωνία ανέπτυξαν μια φασματοσκοπική τεχνική παρατήρησης ομάδων μορίων νερού αποτελούμενες μέχρι 50 μόρια. Ωστόσο δεν είχε πραγματοποιηθεί, η λεπτομερής ανάλυση της δομής συστάδων μορίων νερού με 100 έως 1000 μόρια - όπου υπήρχε η υποψία ότι το νερό κρυσταλλώνεται σχηματίζοντας πάγο.
Η κύρια δυσκολία στην μελέτη των μεγάλων ομάδων μορίων νερού οφείλεται στο γεγονός ότι δεν γνωρίζουμε ακριβώς το πόσα μόρια περιέχουν. Αυτό γίνεται με την φασματομετρία μάζας, η οποία απαιτεί τον ιονισμό των συστάδων των μορίων με υψηλής ενέργειας ακτινοβολία, που όμως σπάει τις συστάδες των μορίων σε κομμάτια. Επιπλέον οι ερευνητές θα προτιμούσαν να μελετήσουν την ουδέτερη δομή των μορίων και όχι την φορτισμένη, διότι αυτή είναι που εμπλέκεται στις περισσότερες διαδικασίες σχηματισμού πάγου στη φύση.
Οι ερευνητές Christoph C. Pradzynski, Richard M. Forck, Thomas Zeuch1, Petr Slavíček και Udo Buck, έχουν βρει τον τρόπο μελέτης των ουδέτερων συστάδων που περιέχουν πάνω από 100 μόρια. Η επιτυχία τους έγκειται σε δύο έξυπνα κόλπα.
Πρώτον, κάθε συστάδα νερού εμπλουτίζεται με ένα μόνο άτομο Νατρίου. Χρησιμοποιώντας αυτό το ιδιαίτερα δραστικό μέταλλο ως πρόσμιξη στις συστάδες του νερού, ο ιονισμός των συστάδων μπορεί να γίνει πολύ ευκολότερα αν απελευθερωθεί το μοναδικό ηλεκτρόνιο της εξωτερικής στοιβάδας του Νατρίου. Έτσι δεν κατακερματίζονται τα συμπλέγματα των μορίων του νερού.
Δεύτερον, πριν τον ιονισμό οι ομάδες του νερού (ενισχυμένες με Νάτριο) διεγείρονται με υπέρυθρη ακτινοβολία. Έτσι αυξάνεται η θερμοκρασία τους, γεγονός που μειώνει περαιτέρω την ενέργεια ιονισμού τους. Ο ιονισμός πλέον μπορεί να επιτευχθεί με λέιζερ υπεριώδους ακτινοβολίας μήκους κύματος 390 νανομέτρων (nm). Η ακτινοβολία αυτή έχει μικρή ενέργεια και έτσι αποφεύγεται ο καταρκεματισμός των ομάδων των μορίων νερού.
Στη συνέχεια για να εξεταστεί η δομή τους μελετώνται φάσματα υπέρυθρης ακτινοβολίας. Χρησιμοποιείται υπέρυθρη ακτινοβολία με τους κατάλληλους κυματαριθμούς (2800 και 3800 cm –1) – αυτούς που αντιστοιχούν στις συχνότητες ταλάντωσης των δεσμών υδρογόνου μεταξύ των μορίων του νερού.
O Thomas Zeuch, από το Ινστιτούτο Φυσικοχημείας στο Γκέτινγκεν της Γερμανίας, και οι συνεργάτες του ανίχνευσαν το υπέρυθρο φάσμα της ακτινοβολίας που έπαιρναν από ομάδες 85 έως 485 μορίων νερού.
Παρατήρησαν ότι ο σχηματισμός πάγου ξεκινούσε με 275 περίπου μόρια νερού, με την πρώτη κρυστάλλωση να πραγματοποιείται στο κέντρο της ομάδας, σχηματίζοντας έναν δακτύλιο από έξι μόρια νερού συνδεδεμένα με δεσμούς υδρογόνου σε μια τετραδρική διαμόρφωση.
Καθώς το μέγεθος της συστάδας αυξήθηκε περισσότερο, μεγάλωνε σταδιακά και κρυστάλλωση του πυρήνα. Μέχρι τα 475 το υπέρυθρο φάσμα έδειχνε την δομή του πάγου. Αυτή η συμπεριφορά συμφωνεί με θεωρητικές μελέτες του φαινομένου που έγιναν το 2004 από μια άλλη ομάδα ερευνητών.
Αυτή η νέα τεχνική θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν την διαδικασία σχηματισμού νεφών στην ατμόσφαιρα, που με τη σειρά τους απορροφούν ακτινοβολίες από τη Γη, επηρεάζοντας έτσι το κλίμα της Γης. Ο Ζeuch πιστεύει επίσης ότι η έρευνα αυτή θα οδηγήσει τους επιστήμονες στην καλύτερη κατανόηση του μοντέλου των αλληλεπιδράσεων των ομάδων μορίων του νερού - ένα από τα άλυτα προβλήματα της χημείας.
physicsworld.com
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου