یخ، این ترکیب آشنا روی زمین، در بستر بیانتها و سرد فضا رفتاری متفاوت و شگفتانگیز از خود نشان میدهد. تحقیقات جدید با ترکیب شبیهسازیهای رایانهای و آزمایشهای تخصصی، نشان میدهد رایجترین شکل آب در کیهان آنچنان بیساختار و نامنظم نیست که تاکنون تصور میشد. بلکه، در اعماق این توده منجمد، الگوهای تکرارشوندهای به ابعاد چند نانومتر – یا همان بلورهای کوچک – وجود دارند که نظم نسبی یخ فرازمینی را فاش میکنند.
یافتههایی از این دست که برخلاف نظریههای قبلی است، اهمیت فراوانی در حوزههای اخترشناسی، فیزیک ماده و علم مواد دارد. طبق سخنان دکتر “مایکل بنِدیکت دیویس” از دانشگاه کالج لندن و کمبریج، “ما اکنون تصوری واضح از ظاهر عمومیترین نوع یخ در جهان در سطح اتمی داریم”.
ساختار یخ: زمین در برابر فضا
یخ بلوری و یخ آمورف؛ تفاوتی اساسی
آب از عجیبترین ترکیبات طبیعی است که ویژگیهای خاص آن، از دمای همجوشی تا شکلپذیری، دانشمندان را شگفتزده کرده است. بر خلاف سایر مایعات، آب دستکم بیش از ۲۰ فاز جامد متفاوت تحت شرایط مختلف منجمد شدن دارد. بر روی زمین، یخ اغلب به شکل بلوری وجود دارد؛ جایی که اتمهای آن به شکل قطعات منظم و تکرارشونده (شبکه بلوری) آرایش یافتهاند. با این حال، در خلأ سرد فضا، فرض بر این بود که یخ به شکل کاملاً بینظم و آمورف شکل میگیرد، یعنی انبوهی سردرگم از اتمهایی که نظم خاصی ندارند.
اما نتایج پژوهشهای جدید، این فرضیات را به چالش کشیده است. بر اساس تحلیلهای تازه، بخشی از این یخ آمورف موجود در فضا، مطابق نتایج شبیهسازیها و آزمایشهای دقیق، ساختار بلوری نیز در خود دارد.
جزییات پژوهش علمی: از شبیهسازی تا آزمایش
شبیهسازیهای مولکولی و تولید یخ فضایی در آزمایشگاه
برای بررسی ساختار یخ در فضا، پژوهشگران ابتدا با شبیهسازی رایانهای، بستههای مجازی آب را تا دمای حدود منفی ۱۲۰ درجه سلسیوس (منفی ۱۸۴ درجه فارنهایت) در نرخهای مختلف سرد کردند. این روش نشان داد که سرعت انجماد، درصد یخ آمورف و بلوری را تعیین میکند؛ برخی نمونهها شبکهمند و منظماند، در حالی که برخی دیگر بیسامان و پراکنده.
در ادامه، تیم پژوهشی برای بررسی بیشتر، به آزمایشگاه بازگشت. در این مرحله، روش انجماد بخار آب روی سطح بسیار سرد تقلیدگر شرایط فضایی را آزمودند؛ زیرا در فضا، آب به ندرت به صورت مایع وجود دارد و مستقیماً از حالت بخار به جامد تبدیل میشود. همچنین یخ موجود را در دماهای بسیار پایین خرد کردند تا نوعی یخ آمورف با چگالی بالاتر ایجاد کنند.
در گام بعد، نمونهها تا دمایی گرم شدند که انرژی کافی برای به هم پیوستن مولکولها و تشکیل ساختار بلوری ایجاد شود. بر اساس یافتهها، آزمایشهایی مانند پراکندگی اشعه ایکس نیز حاکی از آن است که ۲۰ درصد از ساختار این یخها بلوری و ۸۰ درصد آمورف است.
حافظه ساختاری یخ و اثرات کیهانی
دانشمندان دریافتهاند که یخ توانایی “حفظ حافظه ساختاری” دارد؛ به این معنا که ترتیب قرارگیری اتمهای هیدروژن در وضعیت بلوری میتواند حتی پس از تغییر شرایط باقی بماند. زمانی که نمونههای آمورف ایجادشده در آزمایشگاه گرم شدند، تفاوتهایی در آرایش اتمی آنها دیده شد که نشاندهنده وجود هستههای بلوری در دل یخ نامنظم بود.
اگرچه این آزمایشها در محیط زمین انجام شد، اما نتایج آن مستقیماً به درک ما از یخهای موجود در فضا و فراتر از آن کمک میکند. این نتایج نه تنها به ماهیت آب فرازمینی اشاره دارد، بلکه دیدگاهی جدید درباره مواد آمورف – مواد فاقد نظم ساختاری مانند شیشههای نوری – فراهم میکند.
پیامدها و کاربردهای فناورانه
کریستوف سالزمان، شیمیدان فیزیکی از کالج دانشگاهی لندن، میگوید: «یخ روی زمین به دلیل دمای گرم سیاره ما، پدیدهای کیهانی به حساب میآید. نظم آن را میتوان در تقارن دانه برف مشاهده کرد. اما یافتههای ما نشان میدهد که یخ در کیهان، همواره تبلوری از آب مایع بینظم نیست.»
این کشف، درک ما را نسبت به رفتار مواد آمورف به خصوص در فناوریهای پیشرفته زیر سؤال میبرد. برای نمونه، الیاف نوری که انتقال داده در فواصل طولانی را ممکن میکنند، باید ساختاری کاملاً آمورف داشته باشند. اگر بلورهای کوچکی در این مواد وجود داشته باشد و بتوان آنها را حذف کرد، کارایی و عملکرد این فناوریها ارتقا مییابد.
نتیجهگیری
یافتههای تازه درباره ساختار یخ در فضا نه تنها چالشی اساسی برای نظریههای دیرینه دانشمندان ایجاد کرده، بلکه مسیرهای نوینی برای مطالعات کیهانشناسی و فناوری مواد گشوده است. وجود هستههای بلوری در تودههای به ظاهر بینظم یخ فضایی، میتواند کلیدهای تازهای برای درک نقش آب در پیدایش سیارات، تحول کهکشانها و رفتار ماده در سراسر جهان هستی فراهم کند. اهمیت این تحقیقات فراتر از مرزهای علوم پایه است و پتانسیل تأثیرگذاری بر تکنولوژیهای پیشرفته آینده را نیز دربر دارد.