เกล็ดน้ำแข็ง

ลอส เกล็ดน้ำแข็ง พวกเขาเป็นเป้าหมายของการศึกษาโดยนักวิทยาศาสตร์มาโดยตลอดเนื่องจากมีรูปร่างที่แปลกประหลาดและโดดเด่น หากเรามองดูพวกมันด้วยกล้องจุลทรรศน์ เราจะเห็นว่าพวกมันมีรูปทรงเรขาคณิตที่น่าตื่นตา และน่าประหลาดใจว่าทำไมรูปทรงเรขาคณิตเหล่านี้จึงถูกสร้างขึ้นในธรรมชาติ

ในบทความนี้ เราจะบอกคุณว่าข้อสรุปของการศึกษาต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับผลึกน้ำแข็งคืออะไร และสิ่งที่ถูกค้นพบจนถึงปัจจุบัน

การก่อตัวของผลึกน้ำแข็ง

รูปร่างสมมาตรสูงเกิดจากการเติบโตของอ่างเก็บน้ำ โดยที่น้ำจะถูกสะสมโดยตรงบนผลึกน้ำแข็งและระเหยไป ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิแวดล้อมและความชื้น ผลึกน้ำแข็งสามารถพัฒนาได้จากปริซึมหกเหลี่ยมเริ่มแรกในรูปแบบสมมาตรมากมาย รูปร่างที่เป็นไปได้ของผลึกน้ำแข็ง ได้แก่ เสา รูปเข็ม รูปจาน และเดนไดรต์ หากคริสตัลย้ายไปยังบริเวณที่มีสภาพแวดล้อมต่างกัน โหมดการเติบโตอาจเปลี่ยนไปและคริสตัลสุดท้ายอาจแสดงโหมดผสม

ผลึกน้ำแข็งมีแนวโน้มที่จะตกลงมาโดยมีแกนยาวเรียงกันในแนวนอน และสามารถมองเห็นได้บนเรดาร์ตรวจสภาพอากาศแบบโพลาริเมตริกด้วยค่าการสะท้อนแสงที่แตกต่างกัน (บวก) ที่ได้รับการปรับปรุง การโหลดผลึกน้ำแข็งอาจทำให้เกิดการจัดตำแหน่งอื่นนอกเหนือจากแนวนอน เรดาร์ตรวจอากาศแบบโพลาไรซ์ยังสามารถตรวจจับผลึกน้ำแข็งที่มีประจุไฟฟ้าได้ดี อุณหภูมิและความชื้นเป็นตัวกำหนดรูปแบบคริสตัลต่างๆ ผลึกน้ำแข็งมีส่วนรับผิดชอบต่อปรากฏการณ์ทางแสงหลายอย่างในชั้นบรรยากาศ

เมฆที่เยือกแข็งประกอบด้วยผลึกน้ำแข็ง โดยเฉพาะเมฆเซอร์รัสและหมอกเยือกแข็ง ผลึกน้ำแข็งในชั้นโทรโพสเฟียร์ทำให้ท้องฟ้าสีฟ้าเปลี่ยนเป็นสีขาวเล็กน้อย ซึ่งอาจเป็นสัญญาณของด้านหน้าที่ใกล้เข้ามา (และฝน) เมื่ออากาศชื้นลอยขึ้นและแข็งตัวเป็นผลึกน้ำแข็ง

ที่อุณหภูมิและความดันปกติ โมเลกุลของน้ำเป็นรูปตัววีและไฮโดรเจนสองอะตอมถูกพันธะกับอะตอมออกซิเจนที่มุม 105 องศา ผลึกน้ำแข็งทั่วไปมีลักษณะสมมาตรและหกเหลี่ยม

เมื่อบีบอัดระหว่างกราฟีนสองชั้น ผลึกน้ำแข็งสี่เหลี่ยมจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิห้อง วัสดุนี้เป็นเฟสผลึกน้ำแข็งใหม่ที่รวมเข้ากับน้ำแข็งอื่นๆ อีก 17 ก้อน งานวิจัยนี้สืบเนื่องมาจากการค้นพบก่อนหน้านี้ว่าไอน้ำและน้ำของเหลวสามารถผ่านแผ่นแกรฟีนออกไซด์เคลือบลามิเนต ซึ่งแตกต่างจากโมเลกุลขนาดเล็กเช่นฮีเลียม ผลกระทบนี้คิดว่าถูกขับเคลื่อนโดยกองกำลัง Van der Waals ซึ่งอาจเกี่ยวข้องกับแรงกดดันมากกว่า 10.000 บรรยากาศ

การศึกษาผลึกน้ำแข็ง

การจำลองที่ดำเนินการบนซูเปอร์คอมพิวเตอร์ MareNostrum ในบาร์เซโลนาโดยนักวิจัยจาก CSIC และ Complutense University of Madrid ได้ยืนยันว่ากุญแจสำคัญในการเติบโตอย่างแปลกประหลาดของผลึกน้ำแข็งอยู่ในโครงสร้างพื้นผิวของพวกมัน

พื้นผิวน้ำแข็งสามารถอยู่ในสถานะที่แตกต่างกันสามสถานะ โดยมีระดับความผิดปกติต่างกัน เส้นทางจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งสร้างการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันใน อัตราการเติบโตเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นและอธิบายวิธีต่างๆ (แบน หกเหลี่ยม หรือทั้งสองอย่าง) จากน้ำแข็งหรือผลึกหิมะในบรรยากาศ

กุญแจสู่การเปลี่ยนแปลงและการเติบโตของผลึกเฉพาะเหล่านี้คือโครงสร้างพื้นผิวของพวกมัน การศึกษาที่ดำเนินการโดยนักวิจัย Luis González MacDowell จาก Complutense University of Madrid (UCM), Eva Noya จากสถาบัน Rocca Solano Institute of Physical Chemistry (IQFR) ของข้าหลวงใหญ่ด้านการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และ Pablo Llombart จากทั้งสองสถาบันแสดงให้เห็นถึงสิ่งนี้บ้าง . บทความนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Science Advances

González MacDowell เล่าว่า "สาเหตุของการเปลี่ยนแปลงนี้ยังคงเป็นปริศนามาจนถึงตอนนี้" โดยจำได้ว่านักวิจัยชาวญี่ปุ่น Ukichiro Nakaya ค้นพบผลึกน้ำแข็งที่เล็กที่สุดในช่วงทศวรรษที่ 1930 ซึ่งเรียกว่า Diamond Dust ซึ่งมีรูปร่างเหมือนปริซึมหกเหลี่ยม ปริซึมเหล่านี้สามารถแบนได้ เช่น ยาอม หรือแบบยาว เช่น ดินสอหรือปริซึมหกเหลี่ยม และสามารถเปลี่ยนจากรูปร่างหนึ่งเป็นอีกรูปร่างหนึ่งได้ที่อุณหภูมิที่กำหนด

การจำลอง

นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าที่อุณหภูมิต่ำ พื้นผิวน้ำแข็งเรียบและค่อนข้างเป็นระเบียบ เมื่อโมเลกุลของไอชนกับพื้นผิว พวกเขาไม่สามารถหาที่ที่จะรีบเข้าไปและระเหยไปอย่างรวดเร็ว ซึ่งทำให้การเติบโตของคริสตัลช้ามาก

แต่ที่อุณหภูมิสูงขึ้น พื้นผิวน้ำแข็งจะดูไม่เป็นระเบียบมากขึ้น ด้วยหลายขั้นตอน โมเลกุลไอสามารถหาตำแหน่งได้ง่ายบนขั้นบันไดและผลึกจะเติบโตอย่างรวดเร็ว

"เราสังเกตว่าการเปลี่ยนแปลงนี้ไม่ได้เกิดขึ้นทีละน้อย แต่เกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงที่เฉพาะเจาะจงมาก ซึ่งเรียกว่าการเปลี่ยนแปลงทางทอพอโลยี แต่สิ่งที่ทำให้น้ำแข็งไม่ธรรมดามากขึ้นไปอีกก็คือ ในทันใด เมื่อเปลือกนอกของคริสตัลละลาย พื้นผิวก็เรียบและเลอะเทอะอีกครั้ง” โนอาห์กล่าว

เมื่อมันกลับมาเรียบมากอีกครั้ง การเติบโตของคริสตัลจะช้ามากที่ด้านนั้นของคริสตัล แต่ไม่ใช่อีกด้านหนึ่ง ทันใดนั้นบางชนิดก็เติบโตอย่างรวดเร็ว บางชนิดก็เติบโตช้า และรูปร่างของผลึกก็เปลี่ยนไป ดังที่ Nakatani สังเกตในการทดลองเมื่อ 90 กว่าปีที่แล้ว

การจำลองใน MareNostrum

เนื่องจากน้ำแข็งเป็นสารที่ซับซ้อนซึ่งจำเป็นต้องศึกษาโดยใช้เทคนิคการทดลองเนื่องจากการระเหยอย่างรวดเร็วของน้ำแข็ง การจำลองได้ดำเนินการเป็นเวลาแปดเดือนบนคอมพิวเตอร์ที่ใหญ่ที่สุดในสเปน MareNostrum (BSC-CNS)

“งานคำนวณช่วยให้เราสามารถกำหนดเส้นทางของแต่ละโมเลกุลของน้ำที่ก่อตัวเป็นผลึกได้ แต่แน่นอน ในการสร้างผลึกขนาดเล็ก เราต้องการโมเลกุลหลายแสนโมเลกุล ดังนั้นปริมาณการคำนวณที่จำเป็นในการศึกษานี้จึงมีมหาศาล ลอมบาร์ตกล่าว

González MacDowell สรุปว่าผลลัพธ์เหล่านี้ “น่าสนใจมาก แต่การวิจัยทางวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องได้รับการยืนยันด้วยการคำนวณและการตรวจสอบใหม่เสมอ แม้จะมีคำเตือนนี้ แต่เรายินดีที่ความพยายามของเราได้บังเกิดผลในรูปแบบของผลลัพธ์ที่น่าสนใจ เนื่องจากต้องใช้ความพยายามหลายครั้งที่ไม่ประสบความสำเร็จในการรับเงินทุน”

นอกจากนี้ นักเคมียังเล่าว่าผลึกหิมะในชั้นบรรยากาศมีบทบาทสำคัญในภาวะโลกร้อน: “เพื่อทำความเข้าใจผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ เราต้องเข้าใจรูปร่างและอัตราการเติบโต. ดังนั้นความเข้าใจที่ดีขึ้นของเราจึงช่วยให้เราสามารถใส่ชิ้นส่วนอื่นในปริศนามูลค่าหลายล้านเหรียญได้"

ฉันหวังว่าด้วยข้อมูลนี้ คุณจะได้เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับผลึกน้ำแข็งและคุณลักษณะของผลึกน้ำแข็ง