Ile potrzeba cząsteczek wody, aby utworzyć kryształ lodu?

Ile potrzeba cząsteczek wody, aby utworzyć możliwie najmniejszy kryształ lodu? Około 275 cząsteczek. Przynajmniej tak wynika z badań przeprowadzonych przez naukowców z Niemiec oraz Czech, którzy w ostatnim czasie zajmowali się opracowywaniem techniki sondowania dużych klastrów wody. Odkrycie to może przyczynić się do wyjaśnienia sposobu powstawania lodu na dużych wysokościach w atmosferze ziemskiej.

Klastry wody to zespoły cząsteczek wody, za stabilność których odpowiadają międzycząsteczkowe wiązania wodorowe. Dotychczas większość z przeprowadzonych na świecie badań koncentrowała się na małych klastrach złożonych z co najwyżej dwunastu cząsteczek wody. W ciągu ostatnich kilku lat, technika spektroskopowa opracowana przez japońskich naukowców umożliwiła badanie klastrów zawierających do 50 cząsteczek wody. Wciąż jednak szczegółowa analiza strukturalna klastrów wody składających się z 100-1000 cząsteczek, w których zdaniem naukowców mogłoby zachodzić zjawisko krystalizacji lodu, pozostawała poza zasięgiem wspomnianych wyżej badań.

Główną trudność w analizowaniu klastrów złożonych z dużej liczby cząsteczek wody stanowił brak możliwości dokładnego określenia ilości cząsteczek wchodzących w skład takich klastrów. Dotychczas proces ten odbywał się przy użyciu spektrometrii masowej, która to ze względu na jonizację klastrów wody za pomocą wysokoenergetycznego promieniowania, powoduje niestety ich niszczenie.

Domieszkowanie klastrów wody

Grupie naukowców na czele z Thomasem Zeuchem z Institut für Physikalische Chemie w Getyndze (Niemcy) udało się jednak opracować nieinwazyjny sposób umożliwiający badanie klastrów wody. Sposób ten polegał zasadniczo na zastosowaniu dwóch sprytnych sztuczek. Pierwszą z nich, było domieszkowanie klastrów wody pojedynczym atomem sodu. Użycie tego wysoce reaktywnego metalu powodowało jonizację klastrów wody przy jednoczesnej gwarancji, że wolny elektron pochodził od atomu sodu, a nie od którejś z cząsteczek wody. Po drugie, po wprowadzeniu do takiego układu atomu sodu, klastry te były natychmiast pobudzane światłem podczerwonym, powodującym wzrost ich temperatury, wskutek czego struktura klastrów ulegała zmianie w taki sposób, aby potencjał jonizacji klastrów ulegał obniżeniu.

Strukturę klastrów analizowano na podstawie uzyskanych widm promieniowania podczerwonego, którego zakres odpowiadający liczbom falowym z przedziału 2800 – 3800 cm^-1 odpowiadał częstotliwości drgań wiązań tlenowo-wodorowych w klastrach. Wiedząc, że krystaliczny lód posiada maksimum absorpcji promieniowania dla liczby falowej wynoszącej około 3200 cm^-1, podczas gdy lód amorficzny oraz woda w stanie ciekłym – dla około 3400 cm^-1, możliwe było określenie sposobu uporządkowania cząsteczek wody wewnątrz klastrów.

Na podstawie przeprowadzonej analizy widm okazało się, że klastry badane przez zespół Zeucha zawierały od 85 do 475 cząsteczek wody. Zgodnie z ich przewidywaniami, wraz ze wzrostem rozmiarów klastra następowało przesuwanie się maksimum widma w kierunku liczb falowych o mniejszej wartości. Przejście od wartości 3400 cm^-1 do 3200 cm^-1 występowało dla klastrów złożonych z około 275 cząsteczek wody, dla których proces krystalizacji lodu zachodził w centralnym obszarze klastra, tworząc pierścień składający się z sześciu cząsteczek wody ułożonych w konfiguracji tetraedrycznej. Gdy rozmiar klastra ulegał stopniowemu wzrostowi, zwiększał się również tzw. rdzeń krystalizacji. W przypadku układów złożonych z 475 cząsteczek, widmo absorpcji prawie całkowicie odpowiadało widmu krystalicznego lodu.

Badanie procesów tworzenia się chmur

Technika opracowana przez zespół Zaucha może pomóc naukowcom w zrozumieniu mechanizmów formowania się chmur w ziemskiej atmosferze. „W stratosferze istnieją obszary nie zawierające żadnych ośrodków nukleacji, a jednak kryształki lodu ulegają tam bezpośredniemu tworzeniu z cząsteczek wody”, powiedział Zeuch. „Dynamika tego procesu może być od teraz modelowana w sposób bardziej szczegółowy”, dodał.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com