חוקרים עשו פריצת דרך בתצפית על ממשק קרח-נוזל על ידי שימוש בחומר מונע קפיאה ומיקרוסקופ מקורר. הם גילו שקרח בחומר נגד קפיאה נשאר שטוח עם שינויים מבניים מינימליים בהשוואה לשינוי המהיר שלו במים. (קונספט האמן.) קרדיט: twoday.co.il.com
מחקר חדש צפה בהצלחה במבנה של קרח בחומר נגד קפיאה, חושף משטח שטוח עם צעדים מולקולריים מדי פעם, ומשפר את ההבנה שלנו לגבי האינטראקציה של קרח עם נוזלים.
קרח בטבע מוקף בנוזל רוב הזמן, ולכן חשוב להבין כיצד קרח ונוזל מתקשרים. מחקר של אוניברסיטת קובה והמכון למדע מולקולרי יכול כעת לראשונה לצפות ישירות בצורתו המדויקת של הקרח בממשק שבין קרח לנוזל – על ידי שימוש בחומר נגד קפיאה ומיקרוסקופ מקורר.
כאשר אנו מחליקים על קרח, כאשר נוצרים פתיתי שלג, כאשר אנו ללקק גלידה, פני הקרח מכוסים תמיד במים נוזליים, והבנת האינטראקציה בין המים הנוזלים לקרח חיונית להבנת התופעה כולה. עם זאת, מכיוון שקרח ומים הופכים במהירות זה לזה, אי אפשר היה לצפות ישירות בממשק בין השניים.
כדי להתקרב להבנה כיצד קרח מקיים אינטראקציה עם הנוזל שמסביבו, חוקרים בראשות הירושי אונישי מאוניברסיטת קובה החליטו לנסות את הדבר הטוב הבא. הוא אומר: "המצאנו את הרעיון למדוד קרח שקוע בחומר מונע קפיאה קר מ-0 מעלות צלזיוס. כך הקרח לא נמס והממשק לא זז, וצריך להיות אפשרי לבצע תצפיות מדויקות”.
"באמצעות תהליכי ניסוי וטעייה שונים, גילינו שעלינו לקרר את כל מערכת המיקרוסקופ בקופסת קירור, ונדרשה כושר המצאה כדי להבטיח שמיקרוסקופ הכוח האטומי, מכשיר מדידה מדויק, יוכל לפעול ביציבות בטמפרטורות מתחת לאפס. ", מסביר הירושי אונישי. קרדיט: הירושי אונישי
למרות זאת, החוקרים התקשו להשיג מדידות טובות של הקרח. "באמצעות תהליכי ניסוי וטעייה שונים, גילינו שעלינו לקרר את כל מערכת המיקרוסקופ בקופסת קירור, ונדרשה כושר המצאה כדי להבטיח שמיקרוסקופ הכוח האטומי, מכשיר מדידה מדויק, יוכל לפעול ביציבות בטמפרטורות מתחת לאפס. ", מסביר החוקר מאוניברסיטת קובה.
ב כתב העת לפיזיקה כימית, הקבוצה פרסמה כעת את תוצאותיה. הם גילו שבעוד שקרח ללא נוזל שמסביב כולל מה שנקרא "עמודי כפור" בגובה של כ-20 ננומטר, בחומר נגד קפיאה הקרח שטוח לחלוטין עם צעדים מזדמנים בגובה שכבה מולקולרית אחת בלבד. "אנו חושבים שהמשטח השטוח נוצר באמצעות… פירוק חלקי והתגבשות מחודשת של פני הקרח בנוזל 1-אוקטנול (האנטיפריז)", כותבים החוקרים במאמר.
בעוד שקרח ללא נוזל שמסביב (A) כולל מה שמכונה "עמודי כפור" בגובה של כ-20 ננומטר, בחומר נגד קפיאה 1-אוקטנול (B) הקרח שטוח לחלוטין עם צעדים מזדמנים בגובה שכבה מולקולרית אחת בלבד. בנוזלים שונים (C: 1-hexanol. D: 1-butanol) בעלי תכונות דומות, פני הקרח נראים שונה בכל מקרה ומקרה, מה שמדגיש את החשיבות של מדידה ישירה של הממשק. קרדיט: ריו יאנאגיסאווה
אונישי והצוות שלו ניסו גם נוזלים שונים, כולם אלכוהולים כמו 1-אוקטנול. ולמרות שלכל הנוזלים שהם ניסו יש תכונות דומות, הם הבחינו שמשטח הקרח נראה שונה בכל מקרה, מה שמדגיש את החשיבות של מדידה ישירה של הממשק. בנוסף, הם חקרו את ה"קשיות" של פני הקרח תחת 1-אוקטנול ומצאו שהקרח הרבה יותר קשה ממה שהוערך בעבר בשיטות פחות ישירות.
החוקרים מקווים שהתוצאות שלהם יזמנו מחקר נוסף של ממשק קרח-נוזל, אבל הם גם הציבו יעדים ברורים לעבודתם העתידית שלהם באומרו: "אנו מצפים להגדיל את הרזולוציה של המיקרוסקופ למולקולות מים בודדות ולהשתמש בשיטות מדידה אחרות. מאשר מיקרוסקופ כוח אטומי. בדרך זו, אנו מקווים להרחיב את מגוון היישומים האפשריים של מדידות ברמה מולקולרית של ממשק קרח-נוגד קיפאון".
מחקר זה מומן על ידי משרד החינוך, התרבות, הספורט, המדע והטכנולוגיה יפן (מענקים JPMXP1222MS0008 ו-JPMXP1223MS0001) והאגודה היפנית לקידום המדע (מענקים 21K18935 ו-23H05448). הוא נערך בשיתוף פעולה עם חוקרים מהמכון למדע מולקולרי, המכונים הלאומיים למדעי הטבע.
