พบลวดลายที่ซ่อนอยู่บนผิวน้ำ

นักวิทยาศาสตร์ในสหรัฐอเมริกาพบหลักฐานว่าพื้นผิวของน้ำที่เป็นของเหลว แม้จะอยู่ที่อุณหภูมิห้อง ก็มีโครงสร้างที่ดูเหมือนน้ำแข็งมากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อเข้าใกล้ส่วนต่อประสานระหว่างน้ำและอากาศ Phillip Geissler และ Nathan Odendahl จาก University of California, Berkeley, ทำการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ ของการเชื่อมต่อที่ไม่สม่ำเสมอระหว่างอากาศและน้ำ และระบุลวดลายที่เป็นระเบียบ ซึ่งพวกเขาโต้แย้งว่ามีความคล้ายคลึงกันอย่างมีนัยสำคัญกับน้ำแข็ง

จากชั้นบรรยากาศไปจนถึงปอดของมนุษย์ กระบวนการที่สำคัญที่สุดหลายอย่างในโลกเกิดขึ้นที่พื้นผิวของหยดน้ำ ทำให้การวิจัยนี้อาจมีผลกระทบต่อฟิสิกส์ เคมี และชีววิทยา

“สิ่งที่เราทำงานมาหลายทศวรรษเพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับน้ำในสภาพแวดล้อมที่มีปริมาณมากกลับกลายเป็นสิ่งที่ผิดพลาดที่ส่วนต่อประสาน” Geissler ซึ่งใช้การจำลองเพื่อศึกษาน้ำในระดับโมเลกุลที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ในการทดลองกล่าว การตรวจวัดทางสเปกโตรสโกปีของส่วนต่อประสานระหว่างอากาศและน้ำทำให้เกิดผลลัพธ์ที่น่าประหลาดใจ โดยแนะนำพันธะไฮโดรเจนที่สั่งการที่พื้นผิว Geissler และ Odendahl สงสัยเกี่ยวกับการจำลองก่อนหน้านี้ ซึ่งเสนอว่าน้ำแข็งเป็นจุดอ้างอิงสำหรับโครงสร้างของน้ำที่เชื่อมต่ออยู่บนใบหน้า แต่พวกเขาไม่คิดว่าผลลัพธ์เหล่านี้จะเป็นข้อสรุปได้ ด้วยเหตุนี้ พวกเขาจึงคิดค้นวิธีการค้นหารูปแบบเหล่านี้อย่างละเอียดยิ่งขึ้น

ค้นหาโครงสร้างที่ไม่เป็นระเบียบ

น้ำที่เป็นของเหลวไม่เป็นระเบียบ ดังนั้นนักวิจัยจึงรู้ว่าโครงสร้างที่พวกเขากำลังมองหานั้นหายาก โดยขยายออกไปเพียงไม่กี่โมเลกุลและถูกฝังไว้ภายใต้เสียง พวกเขามีความคิดที่ว่านักวิจัยก่อนหน้านี้ขาดรายละเอียดเพราะพวกเขาปฏิบัติต่ออินเทอร์เฟซเหมือนระนาบแบน ทั้งที่จริงๆ แล้วมันก็นิ่มและเป็นหลุมเป็นบ่อ งานเกี่ยวกับส่วนต่อประสานอากาศและน้ำอ่อนได้รับการบุกเบิกเมื่อ 10 ปีที่แล้วและเผยให้เห็นชั้นขนานกับพื้นผิว แต่ไกส์เลอร์และโอเดนดาห์ลเป็นคนแรกที่ใช้สิ่งนี้เพื่อค้นหาส่วนเชื่อมต่อกับน้ำแข็ง

Geissler กล่าวว่าเขารู้สึกประหลาดใจเมื่อ Odendahl แสดงให้เขาเห็นผลลัพธ์แรกที่ซ้อนทับส่วนต่อประสานระหว่างน้ำแข็งและน้ำและอากาศ พวกเขาแย้งว่าด้วยรายละเอียดเพิ่มเติมของส่วนต่อประสานทันที ชั้นที่ผิวน้ำสามารถแบ่งออกเป็นชั้นย่อยได้ (ดูรูปด้านบน) ชั้นย่อยที่ขนานกันเป็นคุณลักษณะของพื้นผิวฐานของน้ำแข็ง และนำเสนอสิ่งที่ทั้งคู่เชื่อว่ามีความคล้ายคลึงกันอย่างน่าทึ่งระหว่างชั้นเหล่านี้ในส่วนต่อประสานของน้ำแข็งและน้ำและอากาศ

การใช้ชั้นย่อยเหล่านี้เป็นจุดอ้างอิง Geissler และ Odendahl ได้เปรียบเทียบทิศทางของโมเลกุล โดยรู้ว่าสิ่งนี้ถูกกำหนดไว้อย่างดีสำหรับโมเลกุลของน้ำทรงสี่หน้าในน้ำแข็ง เมื่อนักวิจัยทำแผนที่ทิศทางที่ต้องการของพันธะออกซิเจนและไฮโดรเจนใกล้กับผิวน้ำ พวกเขาสังเกตเห็นลำดับซึ่งพวกเขาโต้แย้งอีกครั้งดูเหมือนว่าจะสอดคล้องกับพื้นผิวน้ำแข็ง รูปแบบเหล่านี้มีเส้นผ่านศูนย์กลางโมเลกุลอยู่สองสามเส้น ซึ่งใหญ่กว่าโครงสร้างจัตุรมุขชั่วคราวที่คาดไว้ในน้ำปริมาณมาก

ความสมมาตรที่แตกหักทำให้น้ำต้องจัดระเบียบ

Odendahl โต้แย้งเพื่อหาข้อสรุปว่า "การมีอินเทอร์เฟซที่ยืดหยุ่นนั้นทำให้เรามั่นใจจริงๆ ที่จะบอกว่า ไม่ใช่เพียงตัวชี้วัดโอกาสสองสามอย่างเท่านั้น ถ้าคุณดูความหนาแน่น ถ้าคุณดูการวางแนว ถ้าคุณดูหลายชั้น ทุกสิ่งที่เราดู ดูเหมือนว่าจะมีความเข้ากัน”

อย่างไรก็ตาม การตีความการวิจัยเกี่ยวกับกลศาสตร์ทางสถิติของของเหลวมักเป็นเรื่องที่ถกเถียงกันอยู่เสมอ การถกเถียงอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับส่วนต่อประสานระหว่างน้ำและอากาศจะอยู่ที่คำถามพื้นฐานเกี่ยวกับวิธีการกำหนดน้ำแข็ง และโครงสร้างที่ขยายออกไปเหนือโมเลกุลเพียงไม่กี่โมเลกุลสามารถกล่าวได้ว่ามีคุณสมบัติคล้ายคริสตัลหรือไม่ เมื่อคำนึงถึงผลลัพธ์ของพวกเขา Geissler กล่าวว่า "ตอนนี้เรามีจุดอ้างอิงเชิงโครงสร้างสำหรับการคิดเกี่ยวกับแรงจูงใจเชิงโครงสร้างเหล่านี้ และผมคิดว่าท้ายที่สุดแล้ว นั่นจะพิสูจน์ได้ว่าเป็นเครื่องมือทางแนวคิดที่มีประโยชน์มาก"

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน วารสารของสมาคมเคมีอเมริกัน.