شرح خبر

ترکیب دو فن طیف‌سنجی، ریز مکانیزم‌هایی که رفتار ثابت دی‌الکتریک آب را کنترل می‌کنند را آشکار می‌سازد.

آب، مایعی بسیار پیچیده، متشکل از شبکه‌های مولکولی H2O است که توسط پیوندهای هیدروژنی، که مدام تشکیل می‌شوند و میشکنند، به یکدیگر متصل‌اند. بیشتر شناخت ما از این مایع از تحقیقات طیف‌سنجی می‌آید- استراحت دی‌الکتریک، پراکندگی رامان، جذب فروسرخ و پراکندگی پرتو ایکس یا نوترون- که از پرتوافکنی ذرات برای تحقیق در باره جنبه‌های مختلف حرکت‌های اتمی و مولکولی استفاده می‌کنند. آمیختن اطلاعاتی که از همه این تکنیک‌ها استخراج می‌شود، شاید تصویری منسجم از دینامیک این مایع فراهم کند و بر روی پرسش‌های مهم در باره طبیعت آب، نور بیافکند. چگونه پدیده‌های مولکولی مانند ارتعاش‌ها، چرخش‌ها، پخش، تشکیل شدن و شکستن پیوندهای هیدروژنی، ویژگی‌های ماکروسکوپی آب ، از جمله ثابت دی‌الکتریک بزرگ‌اش را تعیین می‌کنند؟ مکانیسم‌هایی که تحت آن‌ها، وقتی درون مایع انرژی سپرده می‌شود، مایع استراحت می‌کند، کدام‌اند؟ فاصله‌ای که از آن مولکول‌های آب یکدیگر را "حس" می‌کنند- طول همبستگی- correlation length- چه اندازه ست؟

شکل 1: تصاویر آزمایش‌های استراحت دی‌الکتریک (چپ) و پراکندگی نوترونی (راست). آربی و همکاران داده‌های دو تکنیک را ترکیب کردند تا بر روی مکانیسم‌های مولکولی که ثابت دی‌الکتریک آب را کنترل می‌کنند نور بیفکنند.

اکنون ارانتسا آربی Arantxa Arbe و همکاران‌اش نتایج اندازه‌گیری‌های استراحت دی‌الکتریک و پراکندگی نوترونی را می‌آمیزند تا تصویری یکپارچه همراه با جزئیات از دینامیک آب در دمای اطاق ارائه دهند. آنها از طریق آزمایش‌های استراحت دی‌الکتریک، ویژگی‌های جمعی استراحت دوقطبی‌های الکتریکی را، که پاسخ ماکروسکوپی دی‌الکتریک آب را تعیین می‌کند، توصیف کردند. آنها سپس با استفاده از حساسیت اندازه‌گیری‌های پراکندگی نوترونی، که حساسیتی در مقیاس اتمی ست، قادر بودند رابطه بین دینامیک مولکولی و رفتار دی‌الکتریک آب را نشان دهند.

اندازه‌گیری‌های استراحت دی‌الکتریک یکی از گسترده‌ترین ابزارهای مورد استفاده برای مشاهده دینامیک آب اند. ساده‌ترین شکل آنها، اعمال یک میدان الکتریکی نوسانگر به خازنی محتوی مایع و اندازه‌گیری تفاوت فاز بین جریان و ولتاژخازن به عنوان تابعی بر حسب بسامد میدان است (شکل 2 ). از این اندازه‌گیری میتوان پاسخ دی‌الکتریکی مایع را استخراج کرد. این پاسخ با دینامیک دوقطبی‌هایی که توسط میدان اعمال شده برانگیخته شده‌اند مرتبط است.

اخیراً آزمایش‌ها استراحت دی‌الکتریک را در آب خالص تا فرکانس‌های تِراهرتز بررسی کردند. اما از آنجا که طول موج میدان الکتریکی مورد استفاده در چنین آزمایش‌هایی در مرتبه بزرگی سانتی‌متر است، این روش، دینامیک ماکروسکپی گشتاور دوقطبی را به دست می‌آورد اما نمی‌تواند جزئیات مولکولی که رفتار دی‌الکتریک را توجیح می‌کنند را آشکار کند.

در مقابل، نوترون‌ها مستقیماً با هسته‌های اتمی برهم‌کنش دارند. آزمایش پراکندگی نوترونی (تصویر 1) می‌تواند حرکات اتمی موضعی و دینامیک جمعی در مقیاس بزرگ‌تر، هر دو را اندازه‌گیری کند. پراکندگی نوترونی می‌تواند آنچه فاکتور دینامیکی یا S(Q,v) می‌نامند را مشخص کند، تابعی از بسامد، v و انتقال اندازه حرکت، Q ، که به ترتیب معادل‌اند با تفاوت‌های انرژی و اندازه حرکت بین موقعیت‌های اشغال شده توسط یک اتم یا اتم‌های متفاوت در زمان‌های متفاوت. اطلاعات مکانی در خصوص دینامیک مولکولی می‌تواند از وابستگی به Q استخراج شود، همچنانکه دستیابی به اطلاعات زمانی توسط وابستگی به انرژی میسر است.


شکل 2 : (بالا) اندازه‌گیری‌های استراحت دی‌الکتریک، یک پیک 20 GHz در بخش مجازی ثابت دی‌الکتریک را آشکار می‌سازد و اشاره‌ دارد به وجود پیک‌های دیگر در بسامدهای بالاتر. (پایین) داده‌های پراکندگی نوترونی در Q=7 nm-1 (سبز) بیانگر آن است که علت وجود آن پیک، پخش مولکولی ست. داده‌ها در Q=20 nm-1 (آبی) دو پیک با بسامد بالا را در 0.15 THz و 2 THz نشان می‌دهند و بیانگر آن است که این پیک‌ها به ترتیب از حرکات موضعی اتم‌های هیدوژن و اکسیژن ایجاد شده‌اند.

این که می‌توانیم به طور انتخابی سهم‌های موضعی و جمعی را نسبت به دینامیک آب مورد بررسی قرار دهیم، به خاطر ویژگی‌های هسته‌های هیدروژن است. در آزمایش‌های نوترونی، پراکندگی توسط اتم‌های هیدوژن ناهمدوس است- نوعی پراکندگی مستقل از جهت که به حرکات تک تک اتم‌های هیدروژن مرتبط است اما نه به ساختار مایع یا دینامیک جمعی آن. اتم‌های دوتریوم (D ) غالباً پراکندگی همدوس تولید می‌کنند، که از جنبش‌های جمعی ناشی می‌شود. می‌توان با مقایسه آزمایش‌هایی که بر روی آب سبک (H2O ) و آب سنگین (D2O ) می‌شوند، اطلاعات موضعی و جمعی را جدا نمود.

تحقیقات بر روی آب مایع که استراحت دی‌الکتریک و پراکندگی نوترونی را با یکدیگر می‌آمیزد قبلا انجام شده است اما نتایج در حد مشاهدات کیفی بوده‌اند. آربی و همکاران اکنون اولین تحقیق کمی را با استفاده از هر دو تکنیک ارائه می‌دهند. مشاهده‌شونده‌ها در دو آزمایش مذکور- 𝜀′′(𝜈) در استراحت دی‌الکتریک و S(Q,𝜈) در پراکندگی نوترونی- مستقیماً به یکدیگر مربوط هستند: S(Q,𝜈) می‌تواند به قابلیت دی‌الکتریک، 𝜒′′(Q,𝜈)=(𝜈KBT)S(Q,𝜈) که در آن، KB ثابت بولتسمن و T دمای مطلق است، مرتبط باشد. 𝜒′′(Q,𝜈) معادل 𝜀′′(𝜈) ، بخش مجازی ثابت دی‌الکتریک که در استراحت دی‌الکتریک اندازه‌گیری می‌شود است.

ویژگی اصلی اندازه‌گیری‌های استراحت دی‌الکتریک، وجود پیک در 𝜀′′(𝜈) است که در بسامد 20 GHz قرار دارد. این پیکِ معروف دیبای Debye peak است که نشان می‌دهد که استراحت جمعی گشتاور ماکروسکپی دو قطبی در مقیاس زمانی 8.3 ps (شکل 2 ) اتفاق می‌افتد. آلبی و همکاران اکنون آزمایش‌های پراکندگی نوترونی همدوس و ناهمدوس انجام داده‌اند تا ریشه‌های مولکولی این استراحت را بهتر بفهمند. نویسندگان نشان می‌دهند که وقتی قابلیت پراکندگی نوترونی (ناهمدوس) در Q=7 nm-1 اندازه‌گیری می‌شود، همان پیک در H2O مشاهده می‌شود. وابستگی موقعیت پیک به Q دلالت بر آن دارد که استراحت دو قطبی مرتبط است به پخش مولکولی، از این رو، مقیاس طولی استراحت دو قطبی جمعی را محیا می‌کند. پژوهشگران نتیجه می‌گیرند که دینامیک 8.3 پیکوثانیه‌ای به خاطر حرکت اتم‌ها در مسیرهای نسبتاً دراز (0.34 nm ) است که قابل قیاس یا کمی بزرگ‌تر از فواصل بین مولکولی هستند.

مانند آزمایش‌هایی که پیرامون استراحت دی‌الکتریک انجام شد، آزمایش پراکندگی نوترونی نویسنده همچنین دو پیک کوچکتر در حوزه THz را نمایان می‌کند، در حوزه بسامد بالا که استراحت دی‌الکتریک به سختی به آن دسترسی دارد. از آنجا که موقعیت پیک‌ها با Q تغییر نمی‌کند، آنها مربوط به حرکت موضعی هستند. پیکی که در بالاترین فرکنس قرار دارد (حدود 2 THz ) مربوط می‌شود به خم شدن زنجیره‌های سه مولکولی اکسیژن که با باندهای هیدروژن به یکدیگر متصل‌اند (O-O-O ). پیک دیگر در بسامدهای متوسط (حدود 0.15 THz ) کشف تازه این آزمایش است. این پیک حاصل فرایندهای موضعی‌ست- حرکت‌های اتم‌های هیدروژن که، هنگامی که اتصال‌های بین مولکولی در مقیاس زمانی پیکو ثانیه می‌شکنند و دوباره شکل می‌گیرند، به وقوع می‌پیوندد. با جدا کردن سهم اتم‌های اکسیژن و هیدروژن در داده‌های مربوط به پراکندگی، پژوهشگران نشان می‌دهند که در مقیاس‌های زمانی بین 0.1 تا 1 پیکوثانیه، اتم هیدروژن در یک "قفس" در اندازه‌ی 0.05nm حرکت می‌کند. چنین اندازه‌ای مربوط می‌شود به دامنه ارتعاش یا جابه‌جایی اتم‌های هیدروژن – دامنه‌ای که بسیار کوچک‌تر است از فاصله بین مولکولی که به طور متوسط 0.28nm است.

این نتایج حضور دو فرایند مولکولی دینامیک را در آب مایع تایید می‌کنند. این فرایندها مربوط هستند به پخش مولکول‌ها و حرکت‌های موضعی، که به ترتیب در ارتباط‌ هستند با تشکیل و شکستن پیوندهای هیدروژن. همان گونه که نویسندگان اشاره می‌کنند، این تصویر شبیه است به تصویری که در پولیمرها مشاهده شده است و همچنین تصویر مدل نظری که برای آب مایع پیشنهاد شده بود، که دو نوع استراحت را مطرح می‌کند (به نام‌های 𝛼 و 𝛽 ) که در مقیاس‌های متفاوت فضایی و زمانی به وقوع می‌پیوندند.

یکی از جنبه‌های مهم این کار این است که نتایج آن هیچ تکیه بر شبیه‌سازی‌های دشوار یا مدل‌های پیچیده‌ی کامپیوتری آب ندارند، بلکه تنها از داده‌های آزمایشی استنتاج شده‌اند. برای ادامه کار آربی و همکاران، روند طبیعی کار، ادامه تحقیق در دماهای دیگر است. از آنجا که انتظار می‌رود فرایندهای استراحت 𝛼 و 𝛽 به شکل‌های بسیار متفاوت تحت تاثیر دما قرار ‌گیرند، شفاف سازی وابستگی دمایی آنها به پژوهشگران کمک خواهد کرد دینامیک مولکولی مربوط به هر یک از این فرایندها را مشخص کنند، که این کار کلیدی ا‌ست برای توضیح رفتار منحصر به فرد آب.

خوزه تکسیرا

منبع: http://physics.aps.org/articles/v9/122




نویسنده خبر: مرجان خویی
کد خبر :‌ 2139
«استفاده از اخبار انجمن فیزیک ایران و انتشار آنها، به شرط
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»‌



حامیان انجمن فیزیک ایران   (به حامیان انجمن بپیوندید)

کلیه حقوق مربوط به محتویات این سایت محفوظ و متعلق به انجمن فیریک ایران می‌باشد.
Webmaster : Ali Meschian : www.irandg.com

www.irandg.com