دانشمندان راز بارورسازی ابرها با یدید نقره را کشف کردند
بر اساس گزارش اختصاصی موزستان، یان بالاجکا، از پژوهشگران برجسته در مؤسسه فیزیک کاربردی دانشگاه فنی وین و رهبر این تحقیقات پیشرو، به تفصیل توضیح میدهد: «یدید نقره برای چندین دهه به عنوان یک عامل کلیدی در پروژههای جهانی مربوط به تعدیل آبوهوا و افزایش بارش به صورت مصنوعی به کار رفته است. در واقع، این ماده استثنایی از دهه ۱۹۴۰ میلادی به دلیل ساختار بلوری اتمیاش که شباهت قابل توجهی به ساختار یخ دارد، به طور گستردهای برای این هدف انتخاب شده است. بلورهای یدید نقره دارای یک تقارن ششضلعی منظم و فواصل بین اتمی بسیار مشابهی در شبکه بلوری خود هستند که این ویژگیها آن را برای آغاز فرآیند تشکیل بلورهای یخ بسیار مناسب میسازد و به کارایی آن در بارورسازی ابرها کمک میکند.»
ایده اساسی و بنیادی پشت مفهوم بارورسازی ابرها، به گفته بالاجکا، از نبوغ دانشمند شهیر هواشناسی قرن بیستم، برنارد وونهگات، نشأت میگیرد. وونهگات در سال ۱۹۴۷ پیشنهاد کرد که افزودن بلورهای ریز یدید نقره (AgI) به داخل یک ابر میتواند به عنوان هستههای اولیه برای تسهیل رشد بلورهای یخ عمل کند. با این حال، در حالی که این پیشنهاد وونهگات در عمل مؤثر و کارآمد بود، تصویر سادهای که او ارائه داد، کاملاً گویای تمام جزئیات نبود و پیچیدگیهای بیشتری داشت. مشکل اصلی در این است که هستهزایی در واقع در سطح خارجی بلورها رخ میدهد، نه در داخل ساختار داخلی آنها، و ساختار اتمی سطح یدید نقره به طور قابل ملاحظهای با آنچه در توده بلور وجود دارد، متفاوت است. درک این تفاوتهای سطحی برای بهینهسازی فرآیند بارورسازی حیاتی است.
برای بررسی عمیقتر و دقیقتر این تفاوتها، بالاجکا و تیم همکارش از تکنیکهای پیشرفتهای نظیر میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) با قدرت تفکیک بالا و همچنین شبیهسازیهای رایانهای پیچیده استفاده کردند. هدف آنها مطالعه ساختار اتمی بلورهای یدید نقره با قطر تنها دو تا سه نانومتر در لحظه شکافته شدن به دو قطعه مجزا بود. اندازهگیریهای دقیقی که توسط این گروه انجام شد، به وضوح نشان داد که سطوح تازهشکافته شده در هر دو قطعه، ساختاری متمایز از آنچه در داخل بلور اصلی یافت میشود، دارند. این یافتهها اهمیت بیبدیل سطح بلور را در فرآیند هستهزایی یخ برجسته میکنند.
یوهانا هیتنر، پژوهشگری که به طور مستقیم این آزمایشهای دقیق را انجام داد، به تشریح این نکته میپردازد که هنگام شکافته شدن یک بلور یدید نقره، اتمها به گونهای آرایش مییابند که اتمهای نقره در یک طرف سطح و اتمهای ید در طرف دیگر قرار میگیرند. این جدایش اتمی نقش حیاتی در رشد یخ دارد؛ زیرا سمت نقرهای بلور، آرایش ششضلعی خود را حفظ میکند که به عنوان یک قالب ایدهآل برای تشکیل و رشد لایههای یخ عمل میکند. این آرایش، پایداری و کارایی بالایی در هستهزایی فراهم میآورد. در مقابل، سمت یدی بلور به شکل مستطیلی بازسازی میشود که با تقارن ششضلعی طبیعی بلورهای یخ سازگاری ندارد. بنابراین، سمت یدی بلور عملاً با رشد بلورهای یخ ششضلعی ناسازگار است و نمیتواند به عنوان یک هسته مؤثر عمل کند.
بالاجکا با قاطعیت اظهار میدارد: «تحقیق ما به طور کامل به بحثهای چندین دههای درباره تمایز ساختار سطح و ساختار داخلی یدید نقره پایان میدهد. این نتایج به طور روشن نشان میدهد که سازگاری ساختاری در مقیاس اتمی، یک عامل تعیینکننده و واقعاً حیاتی در میزان کارایی یدید نقره برای بارورسازی ابرها است. درک عمیقتر این تفاوتهای ساختاری، مسیر را برای توسعه مواد بارورسازی ابری با کارایی به مراتب بالاتر هموار میسازد و به ما کمک میکند تا رویکردهای نوینتری را در مدیریت منابع آبی اتخاذ کنیم.»
به گفته بالاجکا، انجام آزمایشهای پیچیده توسط گروه او با چالشهای فنی بیشماری همراه بود. بسیاری از روشهای رایج آزمایشگاهی برای مطالعه ساختار و خواص سطوح مواد بر پایه تعامل با ذرات باردار نظیر الکترون یا یون عمل میکنند. اما یدید نقره به دلیل ماهیت خود، یک عایق الکتریکی است؛ به این معنی که اکثر ابزارهای معمول برای بررسی آن کارایی ندارند. استفاده نوآورانه از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) این مانع بزرگ را به طور مؤثر از میان برداشت؛ زیرا این روش قادر است نیروهای بین اتمی میان یک نوک تیز و سطح را شناسایی کند و نیازی به نمونه رسانای الکتریکی ندارد. این رویکرد پیشگامانه به آنها امکان داد تا به بررسی بیسابقهای در مقیاس اتمی دست یابند و رازهای پنهان سطوح یدید نقره را کشف کنند.
یکی دیگر از مشکلات اساسی که تیم با آن مواجه شد، حساسیت شدید یدید نقره به نور بود. این ماده هنگام قرار گرفتن در معرض نور مرئی به سرعت تجزیه میشود. اگرچه این ویژگی در برخی حوزههای دیگر، مانند عکاسی سنتی، مفید واقع شده است، اما برای تحقیقات دقیق گروه دانشگاه فنی وین مشکلات جدی ایجاد کرد. تنظیمات استاندارد میکروسکوپ نیروی اتمی غالباً از سیستمهای تشخیص لیزری نوری برای نقشهبرداری توپولوژی و ویژگیهای سطح نمونه استفاده میکنند که در این مورد میتوانست منجر به تخریب غیرقابل بازگشت نمونه شود.
برای جلوگیری از هرگونه تخریب نمونه در طول فرآیند مطالعه و تضمین دقت نتایج، پژوهشگران مجبور شدند از یک سیستم میکروسکوپ نیروی اتمی غیرتماسی (NC-AFM) پیشرفته و مبتنی بر حسگر پیزوالکتریک استفاده کنند. این حسگر قادر به تشخیص سیگنالهای الکتریکی است و نیازی به خوانش نوری ندارد. علاوه بر این، آنها محیط آزمایشگاهی خود را به گونهای دقیق تطبیق دادند که در شرایطی نزدیک به تاریکی مطلق کار کنند و تنها از نور قرمز با شدت بسیار کم و کنترلشده در هنگام دستکاری یدید نقره استفاده میشد. این دقت بالا تضمین کرد که نور اضافی هرگز به تجزیه نمونه منجر نشود و اعتبار یافتهها حفظ گردد.
مدلسازی محاسباتی و چالشهای آن
بخش مدلسازی محاسباتی این پروژه تحقیقاتی نیز با موانع منحصر به فردی همراه بود. هم اتمهای نقره و هم اتمهای ید، هر دو دارای تعداد زیادی الکترون در پوستههای بیرونی خود هستند که این ویژگی آنها را بسیار قطبشپذیر میسازد. تعاملات پیچیده بین چنین اتمهایی را نمیتوان به طور دقیق توسط روشهای استاندارد مدلسازی محاسباتی، نظیر نظریه تابعی چگالی (DFT)، توصیف کرد، زیرا این روشها محدودیتهایی در بررسی سیستمهای با قطبشپذیری بالا دارند. به همین دلیل، تیم تحقیقاتی مجبور شد برای دستیابی به نتایج قابل اعتماد و با دقت بالا، از محاسبات بسیار پیشرفته و دقیق تقریب فاز تصادفی (RPA) استفاده کند که قادر به مدلسازی بهتر این تعاملات پیچیده است. این رویکرد محاسباتی، دقت بیسابقهای را در تحلیلها فراهم آورد.
شرایط آزمایشگاهی کنترلشده و چشمانداز آینده
پژوهشگران با صداقت کامل اذعان دارند که مطالعه جامع آنها تحت شرایط بسیار دقیق و کنترلشدهای انجام شده است؛ از جمله خلأ فوقالعاده بالا، فشار و دمای پایین، و محیطی کاملاً تاریک. این شرایط آزمایشگاهی، به طور قابل توجهی با محیطهای واقعی و پویای داخل ابرها متفاوت هستند. به همین دلیل، گام منطقی و ضروری بعدی برای تیم تحقیقاتی این است که به بررسی دقیق این موضوع بپردازند که آیا یافتههای کنونی آنها تحت شرایط محیطی واقعیتر نیز اعتبار و صحت خود را حفظ میکنند یا خیر. سؤالات اساسی این است که آیا ساختار سطوح یدید نقره در حضور هوا و آب نیز یکسان باقی میماند و در صورت مشاهده تفاوت، علل و مکانیزمهای آن چیست. درک این پویاییها برای کاربردهای عملی و توسعه فناوریهای بارورسازی ابر حیاتی است.
علاوه بر این، پژوهشگران در صددند تا آرایش اتمی بازسازی مستطیلی سطح ید را با جزئیات و دقت بیشتری درک کنند. این درک عمیقتر، تصویر کاملتری را برای بهینهسازی و بهبود مستمر استفاده از یدید نقره در فرآیندهای هستهزایی یخ ارائه خواهد داد. همچنین، این تحقیقات بینش ارزشمندی را به دانش عمومی ما از این ماده شیمیایی مهم و نویدبخش خواهد افزود. این تحقیقات مستمر، میتواند راه را برای نوآوریهای چشمگیر در حوزه مهندسی آبوهوا و مدیریت منابع آبی در آینده هموار سازد.
