19 آگوست 2022 -توسط دانشگاه بیرمنگام-اعتبار: CC0 دامنه عمومی
نوع جدیدی از “انتقال فاز” در آب برای اولین بار 30 سال پیش در مطالعه ای توسط محققان دانشگاه بوستون ارائه شد. از آنجایی که پیش‌بینی می‌شود این انتقال در شرایط فوق‌خنک اتفاق بیفتد، تأیید وجود آن یک چالش بوده است. دلیلش این است که در این دماهای پایین، آب واقعا نمی‌خواهد مایع باشد، در عوض می‌خواهد به سرعت تبدیل به یخ شود. به دلیل وضعیت پنهان آن، بر خلاف نمونه‌های روزمره انتقال فاز در آب بین فاز جامد یا بخار و فاز مایع، هنوز چیزهای زیادی درباره این انتقال فاز مایع-مایع ناشناخته است.
این شواهد جدید که در Nature Physics منتشر شده است، نشان‌دهنده یک گام به جلو در تأیید ایده انتقال فاز مایع به مایع است که برای اولین بار در سال 1992 پیشنهاد شد که در دانشگاه بوستون است.
این تیم از شبیه سازی های کامپیوتری برای کمک به توضیح اینکه چه ویژگی هایی این دو مایع را در سطح میکروسکوپی متمایز می کنند، استفاده کرده اند. آنها دریافتند که مولکول‌های آب در مایع با چگالی بالا آرایش‌هایی را تشکیل می‌دهند که از نظر توپولوژیکی پیچیده هستند، مانند یک گره سه‌فویلی (مولکول‌ها را در نظر بگیرید که به گونه‌ای چیده شده‌اند که شبیه یک چوب شور یا یک پیوند Hopf. به دو حلقه در یک زنجیره فولادی فکر کنید. بنابراین گفته می شود که مولکول های موجود در مایع با چگالی بالا در هم پیچیده هستند.
در مقابل، مولکول‌های مایع کم چگالی بیشتر حلقه‌های ساده‌ای تشکیل می‌دهند و از این رو مولکول‌های مایع با چگالی کم گره‌خورده نیستند.
آندریاس نئوفیتو، دکتری. دانشجوی دانشگاه بیرمنگام با دکتر دوایپایان چاکرابارتی، نویسنده اصلی مقاله است. او می‌گوید: «این بینش به ما یک برداشت کاملاً تازه از آنچه که اکنون یک مشکل تحقیقاتی 30 ساله است، ارائه کرده است و امیدواریم که تازه شروع باشد».
محققان در شبیه سازی خود از یک مدل کلوئیدی آب و سپس از دو مدل مولکولی آب استفاده کردند. کلوئیدها ذراتی هستند که می توانند هزار برابر بزرگتر از یک مولکول آب باشند. کلوئیدها به دلیل اندازه نسبتا بزرگتر و در نتیجه حرکات آهسته تر، برای مشاهده و درک پدیده های فیزیکی استفاده می شوند که در مقیاس های طول اتمی و مولکولی بسیار کوچکتر نیز رخ می دهند.
دکتر چاکرابارتی، یکی از نویسندگان، می گوید: “این مدل کلوئیدی آب یک ذره بین را به آب مولکولی ارائه می دهد و ما را قادر می سازد تا اسرار آب را در مورد داستان دو مایع کشف کنیم.”
پروفسور Sciortino می گوید: “در این کار، ما برای اولین بار، نمایی از انتقال فاز مایع- مایع را بر اساس ایده های درهم تنیدگی شبکه پیشنهاد می کنیم. من مطمئن هستم که این کار الهام بخش مدل سازی نظری جدید بر اساس مفاهیم توپولوژیکی خواهد بود.”
این تیم انتظار دارد که مدلی که آنها ابداع کرده‌اند راه را برای آزمایش‌های جدیدی هموار کند که این نظریه را تأیید می‌کند و مفهوم مایعات “درهم” را به مایعات دیگری مانند سیلیکون گسترش می‌دهد.
پابلو دبندتی، استاد مهندسی شیمی و بیولوژیکی در دانشگاه پرینستون در ایالات متحده و متخصص برجسته جهان در این زمینه تحقیقاتی، اظهار می دارد: “این کار محاسباتی زیبا پایه توپولوژیکی وجود فازهای مایع مختلف در یک شبکه را آشکار می کند. با انجام این کار، درک ما را از پدیده ای که تجربیات و محاسبات فراوانی دارد، به طور قابل ملاحظه ای غنی و عمیق تر می کند.
