دانشمندان راز بارورسازی ابرها با یدید نقره را کشف کردند

مجموعه: نوآوری و کشفیات علمی

به گزارش ایسنا به نقل از فیزیک ورد، یان بالاجکا از مؤسسه فیزیک کاربردی دانشگاه فنی وین که این پژوهش را هدایت کرد، توضیح می‌دهد: یدید نقره برای چندین دهه در برنامه‌های تغییر آب‌وهوای جو در سراسر جهان استفاده شده است، در واقع، این ماده از دهه ۱۹۴۰ برای این منظور به خاطر ساختار بلوری اتمی‌اش که تقریبا مشابه یخ است، انتخاب شد. یدید نقره دارای تقارن شش‌ضلعی و فاصله‌های بسیار مشابه بین اتم‌ها در ساختار شبکه‌ای خود است.

ایده‌ پایه‌ای، به گفته بالاجکا، از دانشمند آمریکایی هواشناسی قرن بیستم، برنارد وونه‌گات، سرچشمه گرفته است که در سال ۱۹۴۷ پیشنهاد کرد وارد کردن بلورهای کوچک یدید نقره (AgI) به یک ابر می‌تواند هسته‌هایی برای رشد یخ فراهم کند. اما در حالی که پیشنهاد وونه‌گات مؤثر بود، این تصویر ساده کاملا دقیق نیست. مشکل این است که هسته‌زایی در سطح بلور رخ می‌دهد، نه داخل آن و ساختار اتمی سطح یدید نقره به‌طور قابل توجهی با داخل بلور متفاوت است.

برای بررسی بیشتر، بالاجکا و همکارانش از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) با وضوح بالا و شبیه‌سازی‌های پیشرفته رایانه‌ای استفاده کردند تا ساختار اتمی بلورهای یدید نقره با قطر دو تا سه نانومتر را هنگام شکسته شدن به دو قطعه، مطالعه کنند. اندازه‌گیری‌های گروه آنها نشان داد که سطوح هر دو ساختار تازه‌شکافته شده با آنچه در داخل بلور یافت می‌شود، متفاوت است.

به‌طور خاص، یوهانا هیتنر که آزمایش‌ها را انجام داد، توضیح می‌دهد که هنگام شکافته شدن یک بلور یدید نقره، اتم‌های نقره در یک طرف و اتم‌های ید در طرف دیگر قرار می‌گیرند. این امر برای رشد یخ اهمیت دارد، زیرا در حالی که سمت نقره یک آرایش شش‌ضلعی را حفظ می‌کند که قالب ایده‌آلی برای رشد لایه‌های یخ فراهم می‌کند، سمت ید به شکل مستطیلی بازسازی می‌شود که دیگر با تقارن شش‌ضلعی بلورهای یخ همخوانی ندارد. بنابراین سمت ید با رشد یخ شش‌ضلعی ناسازگار است.

بالاجکا می‌گوید: مطالعه ما این بحث چند دهه‌ای درباره‌ ساختار سطح در مقابل ساختار داخلی یدید نقره را حل می‌کند و نشان می‌دهد که سازگاری ساختاری واقعا اهمیت دارد.

به گفته‌ بالاجکا، آزمایش‌های این گروه بسیار دشوار بودند. بسیاری از روش‌های آزمایشی برای مطالعه‌ ساختار و خواص سطوح مواد بر اساس تعامل با ذرات باردار مانند الکترون یا یون هستند، اما یدید نقره یک عایق الکتریکی است که اکثر ابزارهای موجود روی آن کار نمی‌کند. استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی به آن‌ها این مشکل را حل کرد، زیرا این روش نیروهای بین اتمی بین یک نوکِ تیز و سطح را تشخیص می‌دهد و به نمونه‌ هادی نیاز ندارد.

یک مشکل دیگر این است که یدید نقره حساس به نور است و هنگام قرار گرفتن در معرض نور مرئی تجزیه می‌شود. در حالی که این خاصیت در زمینه‌های دیگر مفید است، یدید نقره یک ماده‌ رایج در صفحات عکاسی اولیه بود و برای گروه دانشگاه فنی وین مشکلاتی ایجاد کرد. تنظیمات میکروسکوپ نیروی اتمی معمول از تشخیص لیزری نوری برای نقشه‌برداری از توپولوژی نمونه استفاده می‌کنند.

برای جلوگیری از تخریب نمونه در حین مطالعه، پژوهشگران مجبور شدند از میکروسکوپ نیروی اتمی غیرتماسی مبتنی بر حسگر پیزوالکتریک استفاده کنند که سیگنال‌های الکتریکی را تشخیص می‌دهد و به خوانش نوری نیاز ندارد. آن‌ها همچنین تنظیمات خود را برای کار در محیطی نزدیک به تاریک تطبیق دادند و فقط از نور قرمز هنگام دست‌کاری یدید نقره استفاده کردند تا نور اضافی نمونه را تخریب نکند.

مدل‌سازی محاسباتی

بخش مدل‌سازی محاسباتی کار، یک مانع دیگر ایجاد کرد. هم نقره و هم ید اتم‌هایی با تعداد زیادی الکترون در پوسته‌ خود هستند و بنابراین بسیار قطبش ‌پذیرند. تعامل بین چنین اتم‌هایی نمی‌تواند به‌طور دقیق توسط روش‌های استاندارد مدل‌سازی محاسباتی مانند نظریه تابعی چگالی (DFT) توصیف شود، بنابراین ما مجبور شدیم از محاسبات بسیار دقیق تقریب فاز تصادفی (RPA) برای دستیابی به نتایج قابل اعتماد استفاده کنیم.

شرایط کاملا کنترل‌شده

پژوهشگران اذعان دارند که مطالعه‌ آن‌ها، تحت شرایط بسیار کنترل‌شده یعنی خلأ بسیار بالا، فشار و دمای پایین و محیط تاریک انجام شده است که بسیار متفاوت از شرایط واقعی داخل ابرهاست. گام منطقی بعدی برای ما این است که بررسی کنیم آیا یافته‌هایمان تحت شرایط واقعی‌تر هم صادق هستند یا خیر. می‌خواهیم بدانیم آیا ساختار سطوح یدید نقره در هوا و آب یکسان است و اگر نیست، علت چیست.

پژوهشگران همچنین می‌خواهند آرایش اتمی بازسازی مستطیلی سطح ید را بهتر درک کنند. این تصویر را برای استفاده از یدید نقره در هسته‌زایی یخ و همچنین درک کلی ما از آن به‌عنوان یک ماده، کامل می‌کند.