محققان به تازگی با قرار دادن مولکول‌هایی از آب بین دو صفحه گرافینی نوع جدیدی از یخ را ایجاد کرده‌اند. در حقیقت نیروی جاذبه‌ موجود بین اتم‌های کربنی در لایه‌های روی هم، باعث می‌شود فشار بسیار زیادی بر اتم‌های آب موجود در بین لایه‌ها وارد آید و نوع خاصی از یخ در این میان شکل بگیرد. در این ساختار که تنها چند مولکول ضخامت دارد، اتم‌های آب در یک شبکه مربعی مهار شده‌اند.

گرافین ساختار مسطحی از ورقه‌های اتم کربن است که ضخامت بسیار کمی دارد و تاکنون ویژگی‌های عجیب زیادی برای آن گزارش شده است. کشف «یخ مربعی» یکی دیگر از خواص شگرف گرافین است. لایه‌های گرافینی نه تنها به صورت خارق‌العاده‌ای مستحکم، قوی و رسانا هستند، بلکه همچنین می‌توانند فشار بسیار زیادی را بر مولکول‌هایی که بین‌شان گرفتار می‌شود وارد آورند. این موضوع می‌تواند علت این پدیده را توضیح دهد که چرا آب از تود‌ه‌های گرافینی به سرعت تراوش می‌کند – خاصیتی که توضیح می‌دهد این ماده می‌تواند در غشاهای آب‌شیرین‌کن برای تصفیه آب مورد استفاده قرار بگیرد.

«یخ مربعی» که بین ورقه‌های گرافینی دیده شده است. در این‌جا مولکول‌های آب در ساختاری با زاویه‌های قائمه بین دیگر مولکول‌ها قرار گرفته‌اند. این ساختار تفاوت آشکاری با ساختار شناخته‌شده شش‌ضلعی برای یخ دارد که در شکل سمت راست نشان داده شده است.

در سال 2012، یک تیم تحقیقاتی به رهبری آندره گیم (Andre Geim) از دانشگاه منچستر در بریتانیا – که به خاطر مطالعه بر روی گرافین به صورت اشتراکی برنده جایزه نوبل فیزیک 2010 شد– دریافت که بخار آب می‌تواند از خلال لایه‌های طبقه‌طبقه اکسید گرافین عبور کند. این اتفاق در حالی روی می‌دهد که گاز هلیوم هم قادر به انجام‌اش نیست. این تیم دو سال بعد نشان داد که آبِ مایع نیز دقیقا همین رفتار را با لایه‌های اکسید گرافین دارد، به صورتی که این لایه‌ها می‌توانند مولکول‌های خاصی را از ساختار بین‌شان حذف کنند.

شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نشان می‌دهد که آب، لایه‌هایی از یخ‌های مربعی را بین ورقه‌های گرافینی ایجاد می‌کند. در حقیقت با اعمال فشار بر یخ در یک انتهای ساختار، تمام مولکول‌هایی که در جلو قرار دارند نیز همگی به حرکت در می‌آیند، دقیقا مانند یک واگن در یک قطار سریع‌السیر. گیم در این‌باره می‌گوید: «اما هرگز نباید به شبیه‌سازی‌های دینامیک-مولکولی اطمینان کامل داشت».

شرح آخرین آزمایش

تیم گیم یک میکرولیتر از آب را در دمای اتاق بر روی ورقه‌ای از گرافین انداخته، و سپس لایه‌ای دومی از گرافین را بر بالای آن قرار دادند. با بخار شدن تدریجی آب، ورقه‌های گرافینی به تدریج شروع به چسبیدن به یکدیگر می‌کنند تا زمانی که فاصله‌ بین‌شان کمتر از یک نانومتر شود. به این ترتیب بسته‌های آب بین ورقه‌هایی از گرافین ساندویچ می‌شوند.

تصویربرداری با میکروسکوپ الکترونی عبوری نشان داد که این بسته‌های آب شامل یخ‌های مربعی هستند. به گفته آلان سُپر (Alan Soper) «این موضوع خیلی هم غیرقابل انتظار نبود». سُپر فیزیکدانی از آزمایشگاه رادرفورد اَپلتون در هاروِل بریتانیاست، که  مقاله‌ای در این‌باره برای  اخبار و دیدگاه‌ها نوشت و کشف این پدیده را گزارش داد که در مجله نیچر به چاپ رسید. زمانی که مولکول‌های آب برای مثال به صورت خوشه‌های کوچکی که تنها از هشت مولکول ساخته شده گرد هم می‌آیند، ساختاری مربعی را ایجاد می‌کنند. سُپر همچنین می‌آفزاید «چنین پدیده‌ای پیش از این در یک تک‌لایه گسترده مشاهده نشده بود». او عقیده دارد که یخ مربعی به عنوان فاز کریستالی جدیدی از یخ توصیف می‌شود که به 17 گونه دیگری از یخ که تا به حال کشف شده می‌پیوندد.

یخ مربعی تفاوت‌های زیادی با یخ معمولی دارد. در یک مولکول منفرد از آب که V شکل است، یک اتم اکسیژن با پیوندی بسیار قوی به دو اتم هیدروژن متصل شده است. اما این اکسیژن پیوند بسیار ضعیف‌تری نیز با اتم‌های هیدروژنی که در دو همسایگی آن قرار دارد برقرار می‌کند. در یخ، این چهار پیوند معمولا در یک ساختار چهارضلعی (هرمی) چیده شده‌اند.

اما در لایه‌ای از یخ مربعی، تمام اتم‌‌ها در صفحه مسطحی با زاویه قائمه قرار می‌گیرند. تکه‌ یخ‌های مربعی که گیم آن‌ها را کشف کرده، شامل یک، دو یا سه لایه از این یخ‌ها هستند که اتم‌های اکسیژن در لایه‌های مجاور آن مستقیما بر بالای یکدیگر قرار گرفته‌اند.

بر طبق محاسبات این تیم، فشار لایه‌های گرافین باید بیشتر از 10000 برابر فشار جوی باشد که به آب پهن شده به این روش وارد می‌آید. به گفته گیم «چنین فشار بسیار زیادی واقعا غافل‌گیرکننده است». این فشار زمانی ایجاد می‌شود که اتم‌های کربن به حدی به یکدیگر نزدیک می‌شوند که ابر الکترونی یکدیگر را دچار اختلال کنند. این موضوع جاذبه متقابلی بین اتم‌های کربن در لایه‌های گرافینی مجاور به وجود می‌آورد که نیروی وان‌در‌والس نام دارد. سُپر در این‌باره می‌گوید: «این موضوع مانند این است که میلیون‌ها فنر بسیار ریز به هم متصل شده باشند».

گیم گمان می‌کند که یخ مربعی می‌تواند در فضاهای محکم دیگری مانند فضای داخلی نانولوله‌ها نیز به وجود آید. او همچنین عقیده دارد کشف و توضیح دقیق خواص این ماده می‌تواند به توسعه روش‌های تصفیه آب بر اساس گرافین کمک کند. گیم همچنین می‌افزاید: «توضیح این پدیده که آب در یک ساختار مویین چه رفتاری دارد قسمت بزرگی از چیزی است که برای ایجاد یک فیلتر خوب به آن نیاز داریم».

منبع: http://www.nature.com/news/graphene-sandwich-makes-new-form-of-ice-1.17175