کنت لیبرکت، دانشمند ماجراجویی است که در میانهی زمستان، کالیفرنیای جنوبی را به مقصد فیربانکس آلاسکا ترک میکند؛ جایی که دما در زمستان بهندرت به بالای دمای انجماد میرسد. او - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - لباس گرمی میپوشید و با دوربین و تختهای برای جمعآوری برفها، - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - به انتظار باریدن برف مینشست.
هدف او ثبت زیباترین، شفافترین و درخشانترین کریستالهای برفی طبیعت بود. دانههای بزرگتر برف، معمولا در سردترین نقاط مانند فیربنکس و شمال ایالت نیویورک - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - تشکیل میشوند. بهترین - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - برف را میتوان در کوکران، نقطهای دورافتاده در شمال شرقی اونتاریو پیدا کرد؛ در این منطقه شدت وزش باد زیاد نیست و - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - دانههای برف نظم خود را حفظ میکنند. لیبرکت با صبر زیادی تختهی برفی را بررسی میکند و به جستجوی دانههای برفی بینقص و دیگر کریستالهای برفی میپردازد. - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - او میگوید:
ارائه خدمات تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد با ارزانترین قیمت
اگر دانهی برفی زیبایی وجود داشته باشد، چشم بهسرعت آن را پیدا میکند؛ در غیر این صورت، باید ساعتها وقت صرف - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - کنید تا دانهی خوبی را پیدا کنید.
لیبرکت در آزمایشگاه خود در مؤسسهی فناوری کالیفرنیا - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - به بررسی ساختار داخلی خورشید پرداخته و ابزارهای پیشرفتهای را برای کشف امواج گرانشی ساخته است؛ اما علاقهی اصلی او در ۲۰ سال گذشته، برفها بودهاند. دلیل این علاقه نه فقط ظاهر بلکه ساختار تشکیلدهندهی برف است. او میگوید: «خجالتآور است وقتی مادهای از آسمان میبارد و ما هنوز نمیدانیم چرا ظاهرش - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - اینگونه است؟ این بیاطلاعی آزارم میدهد.»
کنت لیبرکت، فیزیکدان مؤسسهی فناوری کالیفرنیا، در کوکران اونتاریو، سال ۲۰۰۶. وقتی کریستالهای برفی باکیفیت روی تختهی او مینشینند، آن را با قلمموی کوچکی برمیدارد و روی اسلاید - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - شیشهای قرار میدهد و سپس با میکروسکوپ به بررسی - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - آن - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - میپردازد.
بیش از ۷۵ سال است که فیزیکدانها کریستالهای - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - کوچک برفی را به دو دستهی متداول تقسیم کردهاند: یک دسته دارای شکل مسطح ستارهای با شش یا دوازده نقطه هستند که هرکدام - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - با شاخههای نواری تزئین شدهاند. دستهی دوم، ستونی شکل هستند که گاهی با پوششهای مسطح فشرده شدهاند و گاهی گلولهای - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - شکل هستند. شکلهای متفاوت دانههای برف در دماها و رطوبتهای مختلف به وجود میآیند - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - اما - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - دلیل این فرایند هنوز بهصورت یک راز باقی مانده است.
سختکوشی لیبرکت منجر به ارائهی دیدگاههای - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - جدیدی دربارهی فرایند کریستالسازی برفی شد. گیلز دمانژ، دانشمند مواد در دانشگاه روئن، لیبرکت را پیشتاز این بررسیها میداند. حالا لیبرکت موفق به کریستالسازی برف در مدل جدیدی شده است و نشان میدهد چرا دانههای برف و دیگر کریستالهای برفی به شکلهای متفاوتی منجمد میشوند. مدل او که در مقالهای آنلاین در ماه اکتبر منتشر شد، به رقص مولکولهای آب نزدیک به نقطهی انجماد اشاره میکند و نشان - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - میدهد که چگونه مجموعهای از حرکتهای مولکولها میتوانند آرایشی از کریستالها را تحت شرایط متفاوت - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - شکل دهند. لیبرکت در رسالهای ۵۴۰ - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - صفحهای و مجزا به توصیف کریستالهای برفی میپردازد. داگلاس ناتلسون، فیزیکدان ماده در دانشگاه رایس، این رساله را «دستاوردی ماهرانه» خواند.
تقریبا همه میدانند که هیچ دو دانهی برفی یکسان نیستند؛ این حقیقت به نحوهی شکلگیری کریستالهای برفی در آسمان وابسته است. برف شامل - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - مجموعهای از کریستالهای یخی است که در هوا تشکیل میشوند و شکل خود را حفظ میکنند. وقتی هوا بهقدری سرد باشد که مانع از انجماد یا ذوب کریستالها و تبدیل آنها به تگرگ و باران شود، برف به وجود میآید.
معمولا یک ابر شامل دامنهای از سطوح دما و رطوبت است اما این متغیرها در دانههای - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - برف ثابت هستند. به همین دلیل اغلب دانههای برفی بهصورت متقارن رشد میکنند. مری جین شولتز، شیمیدان دانشگاه تافتز در رسالهای با عنوان فیزیک دانههای برفی مینویسد:«هر دانهی برفی تحت تأثیر عواملی - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - مثل بادهای متغیر، نور خورشید و متغیرهای دیگر قرار میگیرد. کریستالها بسته به بینظمی - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - ابر، شکلهای متفاوتی به خود میگیرند.»
طبق پژوهشهای لیبرکت، اولین اندیشههای ثبت شده دربارهی شکل ظریف دانههای برف به ۱۳۵ قبل از میلاد در چین بازمیگردد. هان یین پژوهشگر مینویسد: «گلهای گیاهان و درختان، پنج نقطهای هستند اما برفها که یینگ هم نامیده میشوند، همیشه شش وجهی هستند.»
یوهانس کپلر، اولین دانشمندی بود که به بررسی سازوکار دانههای برفی پرداخت. هدیهی سال نوی کپلر - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - به ولینعمت خود، رودولف دوم، امپراطوری مقدس روم، رسالهای بهنام دانهی برف شش ضلعی بود. هنگام عبور از پل چارلز پراگ، یک دانهی برف روی - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - یقهی کپلر افتاد، او شکل هندسی آن را چنین توصیف میکند: «باید دلیلی برای شکل شش ضلعی ستارهای دانهی برفی وجود داشته باشد. قطعا این شکل اتفاقی نیست.»
سخن کپلر دانشمند دیگری بهنام توماس هریوت را بهخاطر میآورد که راهنمای کاشفی بهنام سر والتر رالیف - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - بود. - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - هریوت در سال ۱۸۵۴ بهدنبال بهینهترین روش برای قرار دادن گلولههای توپ روی عرشهی کشتی رالیف بود. او از الگوهای شش ضلعی برای انباشتهسازی گلولههای کروی روی یکدیگر استفاده کرد. این کار او مشابه روش کپلر بود. کپلر هم الگوی مشابهی را در دانههای برفی در نظر گرفته بود که شش وجه آنها، کوچکترین واحد طبیعی از آب شبهمایع را به وجود میآورد.
میکروگرافهای دانههای برفی
نظریهی کپلر، دیدگاه مهمی در فیزیک اتمی بود که تا ۳۰۰ سال شکل رسمی به - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - خود نگرفت. درواقع، مولکولهای آب تشکیل - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - شده از دو - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - اتم هیدروژن و یک اکسیژن، تمایل دارند به شکل آرایههای شش ضلعی در یکدیگر قفل شوند. کپلر و دانشمندان پس از او، به اهمیت این - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - موضوع پی نبرده بودند. بهگفتهی ناتلسون: «به دلیل پیوند هیدروژنی و جزئیات واکنش مولکولها با یکدیگر، ساختاری کریستالی بازی به دست میآید.»
ساختار شش ضلعی دانههای برفی، چگالی یخ را نسبت به آب مایع پائین میآورد و این فرایند بهشدت بر شیمی و فیزیک زمینشناسی و همچنین آبوهوا تأثیر میگذارد. درنتیجه بنا بهگفتهی ناتلسون، اگر یخ روی آب شناور نمیشد (چگالی یخ کمتر از آب نبود)، حیاتی روی کرهی زمین وجود نداشت.
پس از مقالهی کپلر، بررسی دانههای برفی بیشتر به سرگرمی تبدیل شدند تا علم. در دههی - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - ۱۸۸۰، عکاسی آمریکایی بهنام ویلسون بنتلی از دهکدهی سرد و برفگیر جرچیو ورمونت، - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - به عکاسی از دانههای برف پرداخت. او بیش از ۵۰۰۰ عکس گرفت و سرانجام بر اثر ذاتالریه، جان خود را از دست داد.
طراحی دانههای برف از یوکیچیرو ناکایا، فیزیکدان ژاپنی. او دهها سال به بررسی انواع مختلف دانههای برف پرداخت.
در دههی ۱۹۳۰، اوکیچیرو ناکایا، پژوهشگر ژاپنی، پژوهشی سیستماتیک را دربارهی انواع کریستالهای برفی آغاز کرد. ناکایا تا نیمههای قرن بیستم، مشغول تولید دانههای برف در آزمایشگاه بود. او از موی خرگوش برای آویزان کردن کریستالهای یخی در هوای یخچال استفاده میکرد تا بتوانند به رشد خود ادامه دهند. او برای رشد دو نوع کریستال اصلی، تنظیمات دما و رطوبت را تغییر میداد - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - و کاتالوگی از شکلهای احتمالی کریستالها را جمعآوری کرد. ناکایا متوجه - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - شد، ستارهها در دمای منفی ۲ درجه و منفی ۱۵ درجهی - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - سانتیگراد تشکیل میشوند. کریستالهای ستونی در دمای منفی ۵ درجه و منفی ۳۰ درجه رشد میکنند. در رطوبت اندک، کریستالهای - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - ستارهای دارای چند شاخه میشوند و صفحات شش ضلعی را تشکیل میدهند اما در رطوبت بالا، ستارهها اشکال پیچیدهتر و تورمانندی دارند.
بهگفتهی لیبرکت، نظریهپردازی دربارهی شکلهای مختلف کریستالها پس از - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - پژوهشهای ناکایا در - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - مرکز توجه قرار گرفت. وقتی یالها با سرعت بالایی به سمت بیرون رشد کنند و وجوه با سرعت کمی به سمت بالا رشد کنند، کریستالها به ستارههای مسطح تبدیل میشوند (بهجای ساختارهای سهبعدی). کریستالهای ستونی باریک بر اثر رشد سریع وجهها - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - و رشد کند یالها به وجود میآیند؛ اما هنوز مشخص نیست چه نوع فرایند اتمی بر شکل ستونی یا ستارهای کریستالها تأثیر دارند. بهگفتهی لیبرکت: «چه چیزی با دما تغییر میکند؟ در تلاش هستم تمام قطعات را کنار هم قرار - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - بدهم.»
لیبرکت بههمراه گروه کوچکی از پژوهشگرها در تلاشاند تا دستورالعملی را برای تولید دانههای برفی ارائه کنند. برای مثال، میتوان مجموعهای از معادلهها و پارامترها را در ابرکامپیوتری وارد کرد که بتوانند انواع دانههای برفی را تفکیک کنند.
لیبرکت، بیست سال پیش و پس از مشاهدهی دانهی برفی از نوع ستونی دو سر مسدود، پژوهشهای جدی خود را آغاز کرد. کریستالهای ستونی دو سر مسدود، مانند ماسورهای خالی یا دو چرخ هستند که دو سر یک محور قرار گرفتهاند. لیبرکت - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - بهعنوان یکی از بومیان داکوتای شمالی از مشاهدهی این کریستال شگفتزده شده - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - بود و گفت: «چطور من تا به حال چنین چیزی ندیده بودم؟» لیبرکت که تحت تأثیر شکلهای بینهایت دانههای برف قرار گرفته بود، به تألیف کتابی دراینزمینه پرداخت و عکاسی از دانههای برف را آغاز کرد. سپس آزمایشگاهی را برای بررسی دانههای برفی برپا کرد. مدل جدید او برای دانههای - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - برف، نتیجهی مشاهداتی است که - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - در طول سالهای پیش انجام داده بود.
نوآوری اصلی لیبرکت، - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - در زمینهی توزیع مولکولی وابسته به انرژی سطحی است که نشان میدهد، رشد کریستالهای برفی به شرایط اولیه و رفتار مولکولهای تشکیلدهندهی آن وابسته است.
در فرایند انجماد بخار آب، مولکولهای آب پیوند ضعیفی دارند. اگر این پدیده را از دیدگاه ناظری کوچک ببینید، مولکولهای آب در حال انجماد، شبکهای یکپارچه را تشکیل میدهند که در آن هر اتم اکسیژن با چهار اتم هیدروژن احاطه شده است. - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - کریستالها با ورود مولکولهای آب از هوای اطراف به الگوی کریستالی، در دو جهت رشد میکنند: بالا یا بیرون.
کریستال مسطح و باریک (صفحهمانند یا ستارهمانند) وقتی تشکیل میشود - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - که گوشهها سریعتر از دو وجه کریستال شکل بگیرند. در این حالت کریستال، - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - به سمت بیرون رشد میکند. بااینحال وقتی وجهها سریعتر از یالها رشد کنند، کریستال بلندتر میشود - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - و به شکل سوزنی، میلهای یا - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - توخالی در میآید.
براساس مدل لیبرکت، بخار آب در ابتدا روی گوشههای کریستال قرار میگیرد، سپس روی سطح یال کریستال یا وجوه آن پخش میشود - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - و باعث رشد کریستال به سمت بیرون یا بالا میشود. توسعهی هرکدام از فرآیندها در شرایط ناپایدار و جلوههای متعدد - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - سطحی، به دما بستگی دارد. علت تمام اتفاقات فوق در یخ، پدیدهای بهنام ذوب - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - سطحی است. یخ آب معمولا به نقطهی ذوب نزدیک است و لایههای بالایی آن، شبه مایع و نامنظم هستند. با تغییر دما، ذوب سطحی روی وجوه و یالها به شکل متفاوتی رخ میدهد، البته جزئیات این فرایند هنوز بهطور کامل مشخص نیستند. بهگفتهی لیبرکت: «این فرایند، بخشی از مدل تشکیلدهندهی پوش کامل است.»
مدل جدید لیبرکت، نیمهتجربی و وابسته به مشاهدات است نه توصیف رشد دانههای برف براساس مجموعهای از اصول اولیه. ناپایداری و واکنش - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - بین تعداد بیشماری از مولکولها بهقدری - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - پیچیده است که بهسختی میتوان از آن پرده برداشت؛ اما لیبرکت امیدوار است، شالودهای برای مدل جامع متغیرهای رشد یخ ارائه کند که با اندازهگیری و آزمایشهای دقیقتر، کامل میشود.
نمونههایی از دانههای برف ستونی
اگرچه یخ مادهی عجیبی است، میتواند زمینهساز پرسشهای مشابه و تعمیمیافته در فیزیک مادهی چگال باشد. مولکولهای دارویی، تراشههای نیمهرسانای کامپیوترها، سلولهای خورشیدی و بیشمار کاربرد دیگر به کریستالهای باکیفیت وابسته هستند؛ به همین دلیل گروهی از پژوهشگرها متمرکز بر رشد کریستالها هستند.
یکی از این پژوهشگرها، مینش سینگ از دانشگاه ایلینویز شیکاگو است. سینگ و همکار او در مقالهی اخیر خود به - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - شناسایی مکانیزم جدیدی پرداختند که - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - برخلاف کریستالی شدن تغییر فاز برف و یخ - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - لیبرکت، بر رشد کریستالها در حلالها وابسته - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - است. در کریستالسازی حلال، مواد جامد مانند آب یا مایعات دیگر در محلول حل میشوند. با تغییر دما و اضافه کردن حلالهای دیگر، میتوان به کریستالسازی مولکولهای دارویی جدید یا تولید کریستالهای جدید برای سلولهای خورشیدی پرداخت. بهگفتهی سینگ: «تمام کاربردهای مرتبط با رشد کریستالی، تجربی - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - هستند. دادههای تجربی مشخصی وجود دارند و با استفاده از این دادهها میتوان نحوهی رشد کریستالها را توصیف کرد.»
اما هنوز مشخص نیست مولکولهای داخل حلال چگونه در کریستال یکپارچه میشوند. او میافزاید: «چه عاملی باعث میشود مولکولها چنین فرایند را اجرا کنند؟ چرا کریستال به وجود میآید؟ پرسشهای بیشماری دراینزمینه وجود دارد.»
به اعتقاد لیبرکت، آزمایشهای بهتر و شبیهسازیهای کامپیوتری پیچیدهتر - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - به پرسشهای بسیاری دربارهی رشد کریستال در سالهای پیش رو - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - پاسخ میدهند. او میگوید: «روزی میتوانیم مدلی مولکولی را بهصورت کامل بسازیم و پیشرفت این پدیده - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - را در - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - زمینههایی مثل مکانیک کوانتوم ببینیم.»
لیبرکت حین کار روی فیزیک دانههای برفی، از عکاسی آنها و سفر به مناطق برفی هم لذت میبرد؛ اما اخیرا در کالیفرنیای جنوبی ساکن شده و سیستمی پیچیده برای پرورش دانههای برف را در آزمایشگاه خود تنظیم کرده است. او میگوید: «میخواهم خود - تعمیرات مایکروویو زانوسی حسن آباد - را از مشاغل دیگر خلاص کنم. از حالا به بعد فقط روی یخ تمرکز میکنم.»