Tejasri Gururaj tərəfindən , Phys.org

redaktə edən: Gaby Clark , rəy verən: Robert Egan

 Redaktorların qeydləriEksperimental sxem. Vakuumda kiçik bir damla su sürətli buxarlanma yolu ilə sürətlə –45 °C-yə qədər soyudulur. İnfraqırmızı nasosla kiçik bir pozuntu tətbiq etdikdən sonra, intensiv rentgen lazer impulsundan istifadə edərək suyun relaksasiya dinamikasını izləyirik. (b) Kövrəkdən güclüyə keçid, suyun dinamik davranışının dəyişmə tendensiyasının 233.2 K-də eksperimental olaraq müşahidə edildiyi nöqtə. Müəllif: R. Tyburski və digərləri/Nature Physics. https://doi.org/10.1038/s41567-025-03112-3.

Təbiət Fizikasında dərc olunan yeni bir araşdırmada , tədqiqatçılar dərin soyudulmuş suda kövrəkdən güclüyə keçidin ilk eksperimental müşahidəsini əldə edərək, təxminən otuz ildir davam edən elmi tapmacanı həll etdilər.

Suyun kristallaşmadan donma nöqtəsindən aşağı soyudulduqda anomal xüsusiyyətlərə malik olması müşahidə olunur. Əvvəlki tədqiqatlar suyun özlülüyünün temperaturla necə dəyişdiyini izləmiş və onun təxminən 227 K (–46°C) ətrafında sonsuzluğa doğru dəyişəcəyini, yəni maye suyun hərəkətinin əsasən donacağını proqnozlaşdırmışdır.

Lakin bu proqnoz suyun digər məlum xüsusiyyətləri ilə ziddiyyət təşkil edirdi. Nəticədə, alimlər özlülük meylinin müəyyən bir aşağı temperaturda — sözdə kövrəkdən güclüyə keçiddə (FST) dəyişikliyə məruz qalmalı olduğunu irəli sürdülər.

Phys.org, tədqiqatın həmmüəllifləri, POSTECH-in Kimya kafedrasından professor Kyung Hwan Kim və Stokholm Universitetinin Fizika kafedrasından professor Anders Nilsson ilə işləri barədə danışdı.

Kim izah etdi ki, “Su həyat və saysız-hesabsız təbii hadisələr üçün ən vacib maddədir, eyni zamanda ən anomal xüsusiyyətlərə malik mayedir. Onların mənşəyini aşkar etməyin açarının dərin supersoyudulmuş rejimdə, suyun o qədər sürətlə donduğu və birbaşa eksperimental tədqiqatların demək olar ki, mümkün olmadığı bir ərazidə olduğuna inanılır.”

Təcrübi çətinliklərin öhdəsindən gəlmək

Güclü nəzəri maraq və geniş simulyasiyalara baxmayaraq, kövrəkdən güclüyə keçid birbaşa eksperimental müşahidədən yayındı, əsasən su təxminən 235 K-dən aşağı soyuduqdan sonra olduqca tez kristallaşdığı üçün.

Bu irəliləyiş, innovativ damcı əsaslı nümunə sxeminin ultra sürətli rentgen sərbəst elektron lazerləri ilə birləşdirilməsindən irəli gəldi.

Nilsson izah etdi: “Biz maye suyu vakuum altında sürətlə buxarlandıraraq -45°C-yə qədər aşağı saldıq və bu da onun yalnız qısa bir müddət ərzində super soyumasına imkan verdi. Biz onlarla femtosaniyə ərzində molekulyar hərəkəti izləyə bilən rentgen sərbəst elektron lazerindən (SwissFEL) ultraqısa rentgen impulslarından istifadə etdik.”

Təcrübə qurğusu vakuum kamerasında mikron ölçülü su damcılarının (təxminən 17 μm diametrində) əmələ gəlməsini əhatə edirdi. Damcılar kameradan keçdikcə buxarlanma yolu ilə soyutma onları 228 K ilə 270 K (–45°C ilə –3°C) arasında dəyişən dərin super soyudulmuş temperaturlara çatdırdı.

Tədqiqatçılar daha sonra hər damcıda 1 K-dən az kiçik bir temperatur sıçrayışı yaratmaq üçün femtosaniyə infraqırmızı lazer impulsu tətbiq etdilər və maye strukturunun tarazlığa doğru necə boşaldığını izlədilər.

Komanda, suyun struktur relaksasiya sürətini ölçərək və yavaşlamanın təklif olunan keçidə yaxın kökündən dəyişib-dəyişmədiyini yoxlayaraq, rentgen şüalarının səpələnmə siqnalının hər bir temperatur impulsuna reaksiyasını izlədi.

Struktur rahatlamanın izlənməsi

SwissFEL və SACLA-dan ultra qısa rentgen impulslarından istifadə edərək, komanda müxtəlif vaxt gecikmələrində geniş bucaqlı rentgen səpələnmə nümunələrini izlədi və hər temperatur tərpənməsindən sonra suyun hidrogen rabitəsi quruluşunun necə təkamül etdiyini birbaşa izlədi.

“Təcrübəmizdə hər temperaturda maye suya kiçik bir pozulma tətbiq etdik və sonra zamanla struktur relaksasiya dinamikasını yeni bir tarazlıq vəziyyətinə qədər izlədik”, – Kim dedi.

Nilsson əlavə edib ki, “Bu davranışı tam şəkildə əks etdirmək və suyun dinamikasında kövrəkdən güclüyə keçidi aşkar etmək üçün relaksasiyanı femtosaniyələr ilə nanosaniyələrə qədər geniş zaman diapazonunda ölçdük”.

Bu molekulyar səviyyəli struktur həssaslığı, özlülük və ya optik Kerr effekti ölçmələri kimi əvvəlki dolayı yanaşmalarla müqayisədə əhəmiyyətli bir irəliləyiş olduğunu göstərir.

Nəticələr təxminən 233 K (təxminən –40°C) temperaturda aydın dinamik krossover aşkar etdi. Bu temperaturdan yuxarıda, kövrək mayelərə xas olan dik, güc qanunu davranışına uyğun olaraq, temperaturun azalması ilə relaksasiya müddətləri sürətlə artdı; 233 K-dən aşağıda isə məlumatlar güclü mayelərə xas olan daha dayaz Arrhenius temperatur asılılığını izlədi.

Hesablama validasiyası

TIP4P/2005 su modelindən istifadə edərək aparılan molekulyar dinamika simulyasiyaları, təcrübəyə bənzər şərtlər altında təxminən 238,7 K temperaturda keçidin meydana çıxması ilə oxşar kövrəkdən güclüyə keçidi uğurla təkrarladı. TIP4P/2005, tədqiqatçılara həm strukturu, həm də dinamikanı ağlabatan dəqiqliklə ələ keçirməyə imkan verən, hər molekulu dörd qarşılıqlı təsir sahəsi ilə təmsil edən geniş istifadə olunan klassik su modelidir.

Kim bildirib ki, “Sürətli kristallaşma bu temperatur rejimində təcrübələri çətinləşdirdiyindən, sahədəki əvvəlki işlərin çoxu kompüter simulyasiyaları ilə idarə olunub. Bu səbəbdən, eksperimental tapıntılarımızın təsdiqlənməsi və molekulyar dinamika simulyasiyaları ilə əlaqələndirilməsi vacib bir addım idi.”

Təcrübə yolu ilə müşahidə edilən təxminən 233 K keçid temperaturu, yüksək sıxlıqlı və aşağı sıxlıqlı mayeyəbənzər lokal konfiqurasiyalar arasındakı dalğalanmaların ən güclü olduğu 230 K-də əvvəllər müəyyən edilmiş Widom xəttindən bir qədər yüksəkdir . Bu, kövrəkdən güclüyə keçidin 136 K-də şüşə keçidi ilə deyil, bu fərqli molekulyar düzülüşlərin populyasiyalarındakı dəyişikliklərlə əlaqəli olduğunu göstərir.

Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .

Gələcək istiqamətlər

Hava şəraitindən bioloji kimyaya qədər suyun dinamikası vacibdir, buna görə də dərin soyuduqda onun davranışındakı dəyişiklikləri müəyyən etmək əsas fizikadan kənara çıxır.

Nilsson bildirib ki, “Suyun anomal davranışının arxasındakı sirri həll etməklə və onun dinamikasını daha yaxşı başa düşməklə, sudan asılı olan bir çox fenomeni daha yaxşı başa düşə bilərik”.

Bu iş həmçinin yeni eksperimental sahələr açır.

Kim bildirib ki, “Biz hələ də bu davranışın arxasındakı ətraflı mikroskopik mexanizmləri birbaşa müşahidə etməmişik. Biz inanırıq ki, bəzi təkmilləşdirmələrlə bu əsas mexanizmləri eksperimental olaraq araşdırmaq mümkün olacaq. Həmçinin, indi 230 K-dən aşağı temperaturda suyu öyrənmək üçün bir metodumuz var ki, bu da bu temperatur diapazonunda bir çox digər hadisələri araşdırmaq üçün qapı açır.”

Suyun görünən divergensiyasının relaksasiya davranışındakı real dəyişikliklə kəsildiyini göstərməklə, tədqiqat onun dinamik anomaliyalarının ekstrapolyasiya artefaktından deyil, həqiqi bir keçiddən qaynaqlandığını təsdiqləyir və kövrəkdən güclüyə keçid üzərində onilliklər boyu davam edən nəzəri və simulyasiya işlərini dəstəkləyir.

Müəllifimiz Tejasri Gururaj tərəfindən sizin üçün yazılıb, Qabi Klark tərəfindən redaktə edilib və Robert Eqan tərəfindən faktlar yoxlanılıb və nəzərdən keçirilib — bu məqalə diqqətli insan əməyinin nəticəsidir. Müstəqil elmi jurnalistikanı yaşatmaq üçün sizin kimi oxuculara güvənirik. Əgər bu reportaj sizin üçün vacibdirsə, xahiş edirik ianə etməyi düşünün (xüsusilə aylıq). Təşəkkür olaraq reklamsız hesab əldə edəcəksiniz .

Daha çox məlumat: R. Tyburski və digərləri, Supersoyudulmuş suda dinamik keçidin müşahidəsi, Təbiət Fizikası (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03112-3 .

Jurnal məlumatları: Təbiət Fizikası 

© 2025 Science X Network