Kar taneleri nasıl oluşur?
Bu grafik, makroskopik kar taneciği (mavi çizgiler), moleküler yapı (kırmızı tüp modeli) ve elektron saçılım kırınımı (yoğunluk çizimi) olmak üzere bir kar tanesini üç ölçekte yansıtmaktadır.
400 yılı aşkın bir süredir ünlü matematikçi ve bilim adamı Johannes Kepler, doğanın en meleksi ve benzersiz şekillerinden birinin yaratılması konusunda bir spekülasyon yaptı: altı köşeli kar tanesi. Her ne kadar atomlar iki yüzyılı aşkın bir süre keşfedilememiş de olsalar, Kepler açık bir şekilde buz kristalinin altıgen oluşumuna neden olan mikroskopik yapı taşları ve bu yinelenen olgunun ardındaki sayısız faktör konusunda kafa yoruyordu.
Şimdi, bir Tufts Üniversitesi kimyagerinin liderliğindeki araştırmalar, elektron geri saçılımını büyük ve tek bir kristal buz modeli ile birleştirerek bu sürece yeni bir ışık tutarak Kepler’in sorularına cevap verdi. Proceedings of the National Academy of Sciences’ta yayınlanan bir araştırmada, bilim adamları, buz kristalinin yassı yüzlerinin, daha büyük olan ve aynı katmanda diğer altı köşenin çevrelediği merkezi bir su molekülünden oluşan bir altıgen şeklinde oluştuğunu keşfettiler.
Tufts Üniversitesi’ndeki Sanat ve Bilim Okulu’nda kimya profesörü olan ve araştırmanın ilk yazarı olan Mary Jane Shultz, sandalye şeklindeki bir altıgenin bir katmanında üç tane molekül ve belli belirsiz alt bir tabakada da üç tane molekül bulunduğunu ve yapının çift tabakadan oluştuğunu söyledi.
Shultz, “Kar taneleri su buharı ile çoğalıyor. Isıyı en fazla serbest bırakan yüzler (birim alan başına) buharlaşıyor. Isıyı en az salıveren yüz yani altıgen yüzlerden, daha büyük olan altıgen yüzü yassılaşıyor. Sandalyenin altıgen yüzlerinden yassı yüzü, alan başına daha fazla ısı salıyor ve buharlaşıyor. Bu nedenle kar tanesinin altıgen prizmasının tabanı, daha büyük altıgenlere karşılık gelen yassı yüzlerdir.” dedi. Shultz, çalışma bulgularında, kar tanelerinin sandalye şekilli altıgenin yassı yüzlerinden büyüdüğüne ilişkin önceki varsayımların altını çizdiğini belirtti.
Oluşumun nasıl gerçekleştiğini belirlemek için araştırmacılar, moleküllerin katı kafese başarılı bir şekilde bağlanma ihtimaline karşı salınan ısıyı dengeleyen bir model oluşturdu. Makroskopik ve moleküler seviyedeki teknikleri birleştiren ekip, aynı yüzeyin farklı ölçeklerde araştırılmasını sağladı.
Makroskopik prob, buzu araştırmak için onlarca yıl kullanılmıştır. Bu teknik, makroskopik altıgen biçimin güzel görsel görüntülerini üretir. Moleküler seviyedeki prob ise daha yeni bir tekniktir. Moleküler seviyeyi göstermek için yaygın olarak x-ışını kullanılmasına rağmen Shultz ve ekibi, daha açıklayıcı ve görsel olarak daha çekici olan oryantasyon yoğunluk grafikleri üreten elektron geri saçılım kırınımı tekniğini kullanmayı seçti. Shultz “Örnek oryantasyonunu dikkatli izlemek, bağlantıyı üretmek için iki görüntüyü başarıyla birleştirmemizi sağladı.” dedi.
Araştırma, kar taneleri noktalarının, elektron geri saçılımı verilerinde sıcak noktalar olarak gösterilen kristalografik eksenlerle hizalandığını doğruladı. Önemli olan kar tanesinin yassı yüzünün çift katmanlı bir yapıdan oluşmasıdır. Bazal yüz, sandalye biçimli bir altıgendir; yukarıdan aşağıya yapılan değişiklik çift tabakayı oluşturur. Yassı taraf, çift tabakanın alt yarısında çift köprü oluşturan su moleküllerinden oluşan tekne biçiminde bir altıgendir. Çift tabakanın esnekliği ve hareketliliğinin, potansiyel olarak atmosferdeki CO2 ve azot oksitler gibi gazların dönüşümünü katalize etmek de dahil olmak üzere, bu yüzün benzersiz bir reaktiviteye neden olması bekleniyor. Shultz, ekibinin şu anda bu tepkimeyi araştırdığını söyledi.
Kaynak : sciencedaily.com
