Χημικοί αναλύουν την διαδικασία σχηματισμού των νιφάδων χιονιού έξι πλευρών

Περισσότερα από 400 χρόνια πριν, ο διάσημος μαθηματικός και επιστήμονας Johannes Kepler, είκαζε για τη δημιουργία ενός από τα πιο μοναδικά σχήματα της φύσης: το νιφάδα χιονιού έξι πλευρών.

Αν και τα άτομα δεν θα ανακαλύπτονταν μέχρι δύο αιώνες αργότερα, ο Kepler ανοιχτά έκανε εικασίες για τα μικροσκοπικά δομικά στοιχεία που οδηγούν στον εξαγωνικό σχηματισμό του κρυστάλλου, συμπεριλαμβανομένων των μυριάδων παραγόντων πίσω από αυτό το επαναλαμβανόμενο φαινόμενο.

Τώρα μια νέα μελέτη η οποία δημοσιεύθηκε στην επιστημονική επιθεώρηση Proceedings of the National Academy of Sciences, απαντάει στις εικασίες του Kepler, ρίχνοντας νέο φως σε αυτή τη διαδικασία συνδυάζοντας την τεχνική περίθλασης οπίσθιας διάθλασης ηλεκτρονίων (Electron backscatter diffraction), με ένα μεγάλο μοντέλο μονού κρυστάλλου.

Στη νέα τους μελέτη, οι ερευνητές περιγράφουν την ανακάλυψη, ότι οι επίπεδες πλευρές ενός κρυστάλλου πάγου, σχηματίζονται από ένα εξάγωνο που είναι μεγαλύτερο και αποτελείται από ένα κεντρικό μόριο νερού που περιβάλλεται από έξι άλλα στο ίδιο στρώμα.

Το εξάγωνο (chair-form hexagon), έχει τρία μόρια σε ένα στρώμα και τρία πιο ελαφρώς χαμηλότερα, σε μια δομή που ονομάζεται “Μια δομή δύο στρώσεων – bilayer structure”. Οι έξι επίπεδες πλευρές μιας νιφάδας χιονιού, αναπτύσσονται από ένα εξάγωνο που σχηματίζεται σε ένα στρώμα. Αυτό το μεγαλύτερο εξάγωνο περιστρέφεται κατά 30 μοίρες σε σχέση με το chair-form εξάγωνο.

“Οι νιφάδες χιονιού σχηματίζονται από υδρατμούς. Επιφάνειες που απελευθερώνουν την περισσότερη θερμότητα (ανά μονάδα επιφάνειας) εξατμίζονται”, αναφέρουν οι ερευνητές στη μελέτη τους. “Οι επιφάνειες με τη λιγότερη απελευθέρωση θερμότητας είναι η εξαγωνική όψη και μετά η επίπεδη επιφάνεια του μεγαλύτερου εξάγωνου. Οι επίπεδες πλευρές του chair-form εξαγώνου, απελευθερώνουν την περισσότερη θερμότητα ανά περιοχή, οι οποία εξατμίζονται, και έτσι το εξαγωνικό πρίσμα της νιφάδας έχει επίπεδες πλευρές που αντιστοιχούν στο μεγαλύτερο εξάγωνο”.

Για να προσδιοριστεί ο τρόπος σχηματισμού, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα μοντέλο που εξισορροπεί τη θερμότητα που απελευθερώνεται όταν τα μόρια ενσωματώνονται στο στερεό πλέγμα έναντι της πιθανότητας επιτυχούς προσκόλλησης. Ο συνδυασμός μακροσκοπικών τεχνικών και τεχνικών μοριακού επιπέδου επέτρεψε στην ομάδα να διερευνήσει την ίδια επιφάνεια σε διαφορετικές κλίμακες.

Ο μακροσκοπικός καθετήρας έχει χρησιμοποιηθεί για δεκαετίες για την έρευνα του πάγου. Αυτή η τεχνική παράγει τις όμορφες οπτικές εικόνες του μακροσκοπικού εξαγωνικού σχήματος. Ο ανιχνευτής μοριακού επιπέδου είναι πιο πρόσφατος. Ενώ μια ακτίνων Χ χρησιμοποιείται συνήθως για να δείξει το μοριακό επίπεδο, οι ερευνητές επέλεξαν να χρησιμοποιήσουν την τεχνική περίθλασης οπίσθιας διάθλασης ηλεκτρονίων, η οποία παράγει κομμάτια πυκνότητας προσανατολισμού που είναι περισσότερο επεξηγηματικά και οπτικοποιημένα.

Τα ευρήματα της μελέτης επιβεβαίωσαν τα σημεία της νιφάδας χιονιού ευθυγραμμίζονται με τους κρυσταλλογραφικούς άξονες που εμφανίζονται ως θερμά σημεία στα δεδομένα της οπίσθιας σκέδασης ηλεκτρονίων. Η σημασία είναι ότι η επίπεδη πλευρά μιας νιφάδας χιονιού αποτελείται από μια δομή δύο στρώσεων.

Η βασική επιφάνεια είναι ένα chair-form εξαγώνο. Η επάνω-κάτω αλλοίωση σχηματίζει μια διπλοστοιβάδα. Η επίπεδη πλευρά είναι ένα boat-form εξάγωνο, που αποτελείται από ζεύγη μορίων νερού γεφυρώνοντας ζεύγη στο κάτω μισό της διπλής στρώσης.

Η ευελιξία και η κινητικότητα ενός ζεύγους, οδηγεί σε μια μοναδική αντιδραστικότητα αυτής της επιφάνειας, συμπεριλαμβανομένης της καταλυτικής μετατροπής αερίων όπως το διοξείδιο του άνθρακα και των οξειδίων του αζώτου στην ατμόσφαιρα.

Παραπομπές

Alexandra Brumberg et al. Single-crystal I h ice surfaces unveil connection between macroscopic and molecular structure. Proceedings of the National Academy of Sciences (2017).DOI: 10.1073/pnas.1703056114

ΑΝΔΡΕΑΣ ΓΡΗΓΟΡΙΟΥ

Παιδί της επιστήμης και της τεχνολογίας, παρέα με ένα γάτο κοιτάζει το σύμπαν και θέτει ερωτήσεις

You may also like...

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *