فیزیک آب: کشیدگی تا حد ممکن
معمولا مایعات هنگامی که تحت تنش قرار میگیرند، به طور ذاتی نیمه پایدار هستند. یعنی اگر دما و حجم آنها را ثابت نگه داریم، به طور خود به خود حبابهایی در داخل آنها شکل میگیرد که باعث تولید یک حفره بخار میشود و امکان حضور فازهای مایع و گاز را به طور همزمان فراهم میآورد. علیرغم این خاصیت نیمهپایداری، قدرت کششی مایعات به شکل هوشمندانهای در طبیعت مورد استفاده قرار میگیرد. به عنوان مثال میتوان به بالا رفتن آب در آوندهای گیاهان و پراکنده شدن هاگهای سرخسها اشاره کرد. رسوخ سیالات در مواد معدنی نیز یکی دیگر از این مثالها است. این نوع رسوخ که در نتیجه رشد، شکست و شکلگیری مجدد بلورها در یک محیط سیالی اتفاق میافتد، پایه و اساس آزمایشهای المکی عزوزی و همکارانش است و اغلب میتواند تحت شرایط نیمه پایدار همچون حضور تنش در مقیاسهای زمانی زمینشناختی دوام بیاورد. تحقیقاتی که هدف آنها مهار کردن مایعات تحت تنش برای کاربردهای عملی است، ایدههای بسیار جالبی را مطرح نمودهاند که «درخت ترکیبی» نمونهای از آنها است. چنین مفاهیمی می تواند کاربردهای تجاری نیز داشته باشد.
همانند محیط سیال در اکثر کاربردهای شناختهشده یا پیشنهادشده فشار منفی در مایعات، به ويژگیهای فیزیکی ماده و محلولهای آبی تحت فشار منفی علاقهمندیم. به علاوه آب رایجترین مایعات، ویژگیهای متمایزی داراست که آن را در مقایسه با اکثر مایعات غیرعادی میکند. چگونگی تاثیر فشار منفی بر ناهنجاری آب، پرسشی است که حقیقتا ارزش بررسی را دارد.
یکی از شناختهشدهترین ويژگیهای آب، انبساط آن به هنگام سرد شدن است. در فشار جو، چگالی آب مایع در دمای ۴ درجه سانتیگراد به بیشینه میرسد و چه در بالای این دما گرم (رفتار بهنجار) یا در زیر آن سرد (رفتار ناهنجار) شود، منبسط میگردد. هرچه فشار بیشتر باشد، این دمای چگالی بیشینه (TMD) کمتر است. بنابراین یکی از سوالات مهم این است که آیا با کشیدن آب، TMD افزایش مییابد یا این روند معکوس میشود و مکان TMD در نهایت در جهت دماهای کمتر حرکت میکند. هر کدام از این فرضها تاثیرات مهمی بر ویژگیهای ترمودینامیکی آب در بازه گسترده از دما و فشار دارد.
المکی عزوزی و همکاران، آب حاوی ناخالصی کوارتز را مطالعه کردند (شکل ۱). پس از سرد شدن، این نمونه مسیری از چگالی ثابت را دنبال میکند که منجر به کاهشی شدید در فشار میشود. بنابراین نمونه تحت تنش در نهایت حباب ایجاد میکند تا تنش را رفع کند. گرمایش بعدی باعث انبساط مایع میشود و دوباره کل حجم را پر میکند.
با تکرار این چرخه به دفعات، آنها توانستند آماری از مراتبی پیدا کنند که در طی تبرید با آهنگی ثابت و تا یک دمای معین، حباب ایجاد نمیشود. دادههای آنان با تخلیه توسط هستهسازی همگن (شکلگیری تخلیه بخار در حجم مایع به جای سطح کوارتز) سازگار است. به علاوه پس از برقراری وابستگی تنش سطحی آب به شعاع خمش سطح مایع/بخار، این دادهها را میتوان با نظریه هستهسازی کلاسیکی به شکل کمی توصیف کرد.
پیشرفتی که توسط المکی عزوزی و همکارانش ارایه شده، تحلیل آماری دادههای تخلیه به دست آمده از یک ناخالصی است. این روش در کنار نظریه هستهسازی بنیادی، نویسندگان را قادر ساخته تا اطلاعات ارزشمندی در باره سدهای انرژی آزاد خلأزایی و حجم بحرانی حبابها را استخراج کنند که خلأزایی ماکروسکوپی را تسریع میکنند.
المکی عزوزی و همکارانش دمای آبهای کشیدهشده خود را اندازهگیری کردند و معادله حالتی را برای محاسبه فشار به کار بردند. آنها تنشهای بیشینه ۱.۲ کیلوبار را در این آزمایشها تخمین زدند و نقطهای را روی خط TMD در فشار بسیار منفی نزدیک به 300 K و 0.92 g cm-3 مشخص نمودند. برای دنبال کردن تحول مکان TMD به تنشهای بالاتر، نیاز به آزمایشهای اضافی با استفاده از نمونههایی با چگالی کمتر است. اندازهگيریهای این گروه علاوه بر کار قبلی آنجل و همکارانش، عمیقترین نفوذ سیستماتیک را به ناحیه فشار منفی نمودار فاز آب نشان میدهد. محل جدید TMD اشاره میکند که این خط منحنی اسپینودال را (که در امتداد آن مایع نسبت به بخار ناپایدار میشود) قطع میکند. اگر از چنین برخوردی جلوگیری شود، باید در تنشهای بزرگتری نسبت به مقدار گزارششده در این کار، بازگشت تیزی در جهت TMD رخ دهد.
آنجل و همکارانش پیشتاز استفاده از ناخالصیهای معدنی برای مطالعه آب کشیده هستند. در کار آنها، تنشها در بازه کیلوبار تخمینزده شدند اما اندازهگیری با دیگر روشها همانند تخلیه آکوستیک، تنشهای حدی بسیار کمتری حدود ۳۰۰ بار را فراهم کردهاند. منشا این اختلاف، کاملا معلوم است. به اضافه تایید توانایی چشمگیر آب برای مقاومت در برابر فشارهای منفی از مرتبه ۱ کیلوبار، کار المکی عزوزی و همکارانش آگاهی ما را از معادله حالت آب در دامنه فشار منفی افزایش میدهد.
