پژوهشگران سالهاست از بلورهای یدید نقره برای بارورسازی ابرها و افزایش احتمال بارش استفاده میکنند، اما با وجود کاربرد گسترده این ماده، دلیل دقیق اثربخشی بالای آن همچنان یک معمای علمی باقی مانده بود. اکنون گروهی از دانشمندان دانشگاه فنی وین در اتریش، با مطالعهای تازه که ساختار اتمی این بلورها را با دقتی بیسابقه بررسی کرده است، گام مهمی در جهت حل این پرسش برداشتهاند. این گروه با تمرکز بر سطح بلور یدید نقره در مقیاس اتمی، تلاش کردهاند توضیح دهند چرا این ماده طی چند دهه در برنامههای تغییرات آبوهوایی و بارورسازی ابرها چنین نقش مؤثری داشته است و چه ویژگیهایی آن را به یکی از شناختهشدهترین مواد در فرآیند هستهزایی یخ تبدیل کرده است.
به گزارش رسانه اخبار فناوری تک فاکس، یان بالاجکا، پژوهشگر مؤسسه فیزیک کاربردی دانشگاه فنی وین و نویسنده اصلی این مطالعه، توضیح میدهد که یدید نقره از دهه ۱۹۴۰ در پروژههای مربوط به تغییرات آبوهوای جو مورد استفاده قرار گرفته و دلیل انتخاب آن، شباهت قابل توجه ساختار بلوریاش به ساختار یخ بوده است. این بلورها دارای تقارن ششضلعی هستند و فاصله میان اتمهایشان تقریبا همان الگویی را بازتولید میکند که در شبکه بلوری یخ طبیعی مشاهده میشود. این تشابه در ساختار شبکهای، نظریه اولیه دانشمندان را مبنی بر اینکه افزودن ذرات ریز یدید نقره به ابرها میتواند روند تشکیل کریستالهای یخ را تقویت کند، شکل داد و دههها مبنای فعالیتهای بارورسازی ابرها قرار گرفت.
به گفته بالاجکا، ایده اصلی این روش به پژوهشهای دانشمند هواشناسی آمریکایی، برنارد وونهگات، بازمیگردد که در سال ۱۹۴۷ پیشنهاد کرد تزریق بلورهای کوچک یدید نقره به داخل ابر میتواند نقاط شروع مناسبی برای رشد کریستالهای یخ ایجاد کند. اگرچه این نظریه بهطور تجربی موفقیتآمیز بود، محققان امروز میدانند تصویر اولیه ارائهشده بسیار سادهتر از واقعیت پیچیده این فرآیند است. زیرا هستهزایی یخ در سطح بلور رخ میدهد و ساختار اتمی سطح بلور یدید نقره با ساختار داخلی آن تفاوتهای اساسی دارد. این تفاوتها میتواند نقش مهمی در کیفیت، سرعت و جهتگیری رشد کریستالهای یخ ایفا کند و بنابراین بررسی دقیق سطح این بلورها ضرورت بیشتری پیدا کرده است.
برای بررسی این مسئله، گروه بالاجکا از ترکیب پیشرفتهای از میکروسکوپ نیروی اتمی با وضوح بالا (AFM) و شبیهسازیهای دقیق رایانهای بهره برد. این تیم بلورهای دو تا سه نانومتری یدید نقره را در شرایط کنترلشده و بهصورت جداگانه شکافته و سپس ساختار اتمی سطوح تازهشکافتهشده را مشاهده و تحلیل کرد. نتایج نشان داد که با شکاف خوردن بلور، دو سطح با آرایش اتمی متفاوت ایجاد میشود و این ساختار جدید هیچ شباهتی به آرایش اتمهای درون بلور ندارد. چنین یافتهای نشان میدهد که سطح بلور نه تنها گسترش ساده ساختار داخلی نیست، بلکه به شکل قابل توجهی بازآرایی میشود.
یوهانا هیتنر، پژوهشگری که بخش تجربی آزمایشها را انجام داده، توضیح میدهد که هنگام شکستن یک بلور یدید نقره، اتمهای نقره و ید از یکدیگر جدا شده و در دو سمت مجزا قرار میگیرند. سمت نقره آرایش ششضلعی خود را حفظ میکند و بنابراین بستری بسیار مناسب برای رشد یخ با ساختار ششضلعی ایجاد میکند؛ ساختاری که برای شکلگیری طبیعی کریستالهای یخ ضروری است. اما سمت ید رفتاری کاملاً متفاوت نشان میدهد؛ این سمت بهجای حفظ تقارن ششضلعی، بازسازی مستطیلی پیدا میکند و همین موضوع باعث میشود با هندسه کریستالهای یخ ناسازگار باشد. بنابراین تنها یک سمت بلور قابلیت هماهنگی کامل با ساختار یخ را دارد و این موضوع اهمیت سطوح متفاوت را در هستهزایی مشخص میکند.
بالاجکا تأکید میکند یافتههای این پژوهش یکی از بحثهای چند دههای درباره تفاوت ساختار سطح و ساختار داخلی یدید نقره را روشن میکند. او اشاره میکند که این نتایج نشان میدهد صرفاً شباهت در ساختار درونی برای هستهزایی موثر کافی نیست، بلکه ساختار واقعی سطح ماده است که نقش تعیینکننده دارد. به همین دلیل، درک دقیق ویژگیهای سطح بلور میتواند در بهبود روشهای بارورسازی ابرها و حتی طراحی مواد جایگزین با عملکرد بهتر مؤثر باشد. این مطالعه نشان میدهد که سازگاری ساختاری میان سطح بلور و یخ، اهمیت بیشتری نسبت به تصورات گذشته دارد.
از نظر فنی، بالاجکا و همکارانش با چالشهای متعددی روبهرو بودهاند. بسیاری از روشهای رایج برای مطالعه سطوح مواد، متکی به تابش ذرات باردار مانند الکترون یا یون هستند، اما مشکل اینجاست که یدید نقره مادهای عایق محسوب میشود و نمیتواند بهخوبی با این روشها بررسی شود. همین مسئله استفاده از AFM را ضروری کرد، زیرا این روش بهجای نیاز به تعامل الکترونی، بر اساس اندازهگیری نیروهای بین یک نوک تیز و سطح ماده عمل میکند. این ویژگی سبب شد بتوان ساختار سطحی یدید نقره را بدون نیاز به رسانایی الکتریکی بررسی کرد و تصویری دقیق از آرایش اتمی آن به دست آورد.
چالش دیگر پژوهشگران، حساسیت بالای یدید نقره به نور بود. این ماده هنگام قرار گرفتن در معرض نور مرئی بهسرعت تجزیه میشود، ویژگیای که در گذشته برای استفاده در صفحات عکاسی مفید بوده اما در آزمایشهای دقیق میکروسکوپی اختلال ایجاد میکند. میکروسکوپهای AFM سنتی از لیزر نوری برای تشخیص موقعیت و حرکت نوک دستگاه استفاده میکنند و چنین نوری میتواند نمونه را تخریب کند. برای حل این مشکل، تیم پژوهشی از یک AFM غیرتماسی مبتنی بر حسگر پیزوالکتریک بهره برد که نیازی به ردیابی نوری ندارد. علاوه بر این، محیط آزمایش تا حد ممکن تاریک نگه داشته شد و استفاده از نور تنها به نور قرمز محدود شد تا از تجزیه نمونه جلوگیری شود.
در بخش مدلسازی محاسباتی نیز مشکلات قابل توجهی وجود داشت. اتمهای نقره و ید تعداد زیادی الکترون دارند و به شدت قطبشپذیر هستند، موضوعی که مدلسازی استاندارد مانند روش نظریه تابعی چگالی (DFT) قادر به بازتاب دقیق آن نیست. به همین دلیل، پژوهشگران مجبور شدند از روش بسیار پیشرفته و دقیقتر تقریب فاز تصادفی (RPA) استفاده کنند تا بتوانند برآیندی قابل اعتماد از تعاملات اتمی به دست آورند. این سطح از دقت محاسباتی برای درک رفتار واقعی بلور و پیشبینی درست ساختار سطح آن ضروری بود.
با وجود این دستاوردها، پژوهشگران تأکید میکنند که نتایج بهدستآمده در محیطی کاملاً کنترلشده حاصل شده است؛ محیطی که شامل خلأ بسیار بالا، فشار پایین، دمای ثابت و شرایط نوری محدود بوده و شباهت کمی به شرایط واقعی موجود در داخل ابرها دارد. اکنون مقصود آنها این است که مرحله بعدی پژوهش، بررسی رفتار سطوح یدید نقره در محیطهای واقعیتر مانند هوا و آب باشد. آنها میخواهند بدانند آیا آرایش سطحی مشاهدهشده در شرایط آزمایشگاهی در محیطهای طبیعی نیز ثابت میماند یا تحت تأثیر عوامل محیطی تغییر میکند و اگر چنین تغییری رخ دهد، دلیل آن چیست.
در ادامه، پژوهشگران قصد دارند ساختار بازسازیشده و مستطیلی سطح ید را با جزئیات بیشتری مطالعه کنند تا تصویر کاملتری از عملکرد این ماده در هستهزایی یخ به دست آورند. این بررسی نهتنها میتواند به فهم بهتر فرآیند بارورسازی ابرها کمک کند، بلکه شناخت ما از یدید نقره بهعنوان مادهای با کاربردهای گسترده در فناوری و علم مواد را نیز عمیقتر خواهد کرد. آنها امیدوارند این اطلاعات بتواند مسیر توسعه مواد جدید با قابلیت هستهزایی بهتر را نیز هموار کند.