دانشمندان در ایالات متحده شواهدی یافته اند که نشان می دهد سطح آب مایع، حتی در دمای اتاق، ساختاری دارد که با نزدیک شدن به رابط آب و هوا، بیشتر و بیشتر شبیه یخ به نظر می رسد. فیلیپ گیسلر و ناتان اوندال از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، شبیه سازی های کامپیوتری انجام داد از رابط ناهموار بین هوا و آب و نقوش منظم شناسایی شده، که آنها استدلال می کنند که اشتراکات قابل توجهی با یخ دارند.
از جو گرفته تا ریه‌های انسان، بسیاری از مهم‌ترین فرآیندهای روی کره زمین در سطح یک قطره آب اتفاق می‌افتند که به این تحقیق پیامدهای بالقوه‌ای در فیزیک، شیمی و زیست‌شناسی می‌دهد.
گیسلر که از شبیه‌سازی‌ها برای مطالعه آب در سطح مولکولی غیرقابل دسترس در آزمایش‌ها استفاده می‌کند، می‌گوید: «چیزهایی که ما دهه‌ها برای درک آنها درباره آب در محیط حجیم آن کار کرده‌ایم، در رابط‌ها اشتباه می‌شوند. اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی سطح مشترک هوا-آب نتایج شگفت‌انگیزی تولید کرده‌اند که نشان‌دهنده پیوند هیدروژنی منظم در سطح است. گیسلر و اودندال در مورد شبیه سازی های قبلی کنجکاو بودند که یخ را به عنوان نقطه مرجع برای ساختار آب سطحی پیشنهاد می کردند، اما آنها فکر نمی کردند این نتایج قطعی باشد. در نتیجه، آنها راهی برای جستجوی این الگوها با جزئیات بیشتر ابداع کردند.
جستجوی ساختار در بی نظمی
آب مایع نامنظم است، بنابراین محققان می‌دانستند که ساختارهایی که به دنبال آن بودند به سختی یافت می‌شوند و تنها روی چند مولکول گسترش می‌یابند و زیر سر و صدا مدفون می‌شوند. آنها این ایده را داشتند که محققان قبلی جزئیات را از دست داده اند، زیرا آنها رابط را به عنوان یک صفحه صاف در نظر گرفته بودند، در حالی که در واقع نرم و ناهموار است. کار بر روی رابط‌های نرم هوا-آب بیش از 10 سال پیش آغاز شد و لایه‌های موازی با سطح را آشکار کرد، اما Geissler و Odendahl اولین کسانی بودند که از این برای جستجوی پیوند با یخ استفاده کردند.
گیسلر گفت که وقتی اودندال اولین نتایج را در کنار هم قرار دادن رابط های یخ و آب و هوا به او نشان داد، شگفت زده شد. آنها استدلال می کنند که با جزئیات اضافی رابط لحظه ای، لایه های سطح آب را می توان به زیر لایه ها تقسیم کرد (شکل بالا را ببینید). لایه‌های فرعی موازی یکی از ویژگی‌های سطح پایه یخ هستند، و آنها چیزی را ارائه می‌کنند که دوتایی متقاعد شده‌اند شباهت قابل توجهی بین این لایه‌ها در رابط‌های یخ و آب و هوا وجود دارد.
گیسلر و اوندال با استفاده از این زیرلایه ها به عنوان نقطه مرجع، جهت گیری مولکول ها را مقایسه کردند، زیرا می دانستند که این موضوع برای مولکول های چهار وجهی آب در یخ به خوبی تعریف شده است. هنگامی که محققان جهت مطلوب پیوندهای اکسیژن-هیدروژن را در نزدیکی سطح آب ترسیم کردند، ترتیبی را مشاهده کردند که باز هم استدلال کردند که به نظر می‌رسد با یک چهره یخی مطابقت دارد. این الگوها بیش از چند قطر مولکولی دارند، که بزرگتر از ساختارهای چهار وجهی گذرا مورد انتظار در آب حجیم است.
تقارن شکسته آب را وادار به سازماندهی می کند
اودندال با استدلال برای نتیجه گیری آنها گفت: «داشتن آن رابط انعطاف پذیر واقعاً به ما اعتماد به نفس داد که بگوییم، این فقط چند معیار شانس نیست. اگر به چگالی نگاه کنید، اگر به جهت‌گیری نگاه کنید، اگر به لایه‌های چندگانه نگاه کنید، فقط به هر چیزی که ما نگاه کردیم، به نظر می‌رسد که مطابقت دارد.»
ثابت می کند که آب در رابط ها از نظر الکتریکی مرده است
با این حال، تفسیر تحقیقات در مورد مکانیک آماری مایعات همیشه بحث برانگیز است. ادامه بحث در مورد رابط آب و هوا به این سوال اساسی منتهی می شود که چگونه یخ تعریف می شود، و اینکه آیا ساختاری که تنها روی چند مولکول گسترش می یابد می توان گفت که دارای خواص کریستال مانند است یا خیر. گیسلر با تأمل در نتایج آنها گفت: «ما اکنون این نقطه مرجع ساختاری را برای تفکر در مورد این نقوش ساختاری داریم، و من فکر می‌کنم که در نهایت این یک ابزار مفهومی بسیار مفید خواهد بود.»
تحقیق در شرح داده شده است مجله انجمن شیمی آمریکا.
