סימולציה ברמה המולקולארית המציגה הסבר מפורט לאנומליה של המים

צוות חוקרים של IBM, בשיתוף מעבדת המחקר של המועצה הבריטית למדע וטכנולוגיה, פיתחו סוג חדש של סימולציית חומרים שמאפשרת לשפר את כושר החיזוי של עמידות החומרים במצבים ומודלים שונים.

בתמונה: איור של אופן הסידור של מולקולות מים בטמפרטורות סביב נקודת הקיפאון, הנערכות סביב מולקולת ייחוס בודד. האיזור הלבן מציג את אופן הארגון המסודר והכיווני של צפיפות המים במתכונת של "צדפה", הנובעת מתכונות הקשרים בין מולקולות המימן. הצבע הכתום, מציג "איזור גידול נפח", שאליו לא יכולה מולקולה של מים לחדור, בשל מאפייני המבנה שלו. מקור: IBM.
בתמונה: איור של אופן הסידור של מולקולות מים בטמפרטורות סביב נקודת הקיפאון, הנערכות סביב מולקולת ייחוס בודד. האיזור הלבן מציג את אופן הארגון המסודר והכיווני של צפיפות המים במתכונת של "צדפה", הנובעת מתכונות הקשרים בין מולקולות המימן. הצבע הכתום, מציג "איזור גידול נפח", שאליו לא יכולה מולקולה של מים לחדור, בשל מאפייני המבנה שלו. מקור: IBM.

חומרים המשמשים במערכות תעשייתיות והנדסיות – דוגמת ברזל ופלדה – חשופים לעתים תכופות לטמפרטורות גבוהות וללחצים קיצוניים, בסביבות מורכבות שבהן עשויות תכונות החומרים האלה להשתנות מהותית בהשוואה לתכונות המוכרות לנו בנסיבות נורמאליות.

אחת הדוגמאות המפורסמות ביותר לתופעה הזאת, היא הציפוי החיצוני של מעבורת החלל קולומביה, שנבנה מלבנים המשלבות סיליקה (חול) עם תחמוצת אלומיניום – על מנת להגן מפני טמפטורות קיצון. במבט לאחור, קשה להאמין כיצד הצליחו המהנדסים לעמוד ביעד הזה, בהתחשב בהיקף המוגבל של כוח המחשוב שעמד לשירותם.

האפשרות לחזות את אופן ההתנהגות של חומרים, דוגמת לבני החיפוי האלה, בתנאים שונים מהותית מאלה של סביבת היום-יום, וכאשר אפשרויות הניסוי מוגבלות מטבען, מהווה התקדמות מהותית בעולם התכנון והגילוי של חומרים חדשים. כאן, נוצר אתגר ייחודי לסימולציה של חומרים – הדורשת מודלים מורכבים במיוחד.

צוות חוקרים של IBM, בשיתוף מעבדת המחקר של המועצה הבריטית למדע וטכנולוגיה, פיתח סוג חדש של סימולציית חומרים, המאפשר לשפר את כושר החיזוי ומרחיב את טווח המצבים אליהם מתייחסים המודלים של החומר ברמה המולקולארית. הירידה עד לרמה הבסיסית הזאת, מאפשרת לספק חיזוי מדוייק יותר: שילוב מודל החוזה את התגובה ברמת האלקטרונים של האטום הבודד, מאפשר לסימולציה להתנהג כאילו הייתה מולקולה בודדת אמיתית כזאת – ולנתח את אופן התגובה שלה במסגרת מערכת גדולה ומורכבת יותר.

האנומליה של המים: במעבר בין נוזל לקרח, מגדילים המים את נפחם – בניגוד לאופן ההתנהגות המוכר לנו בחומרים אחרים, הנוטים להתכווץ ולאבד מנפחם ככל שהם מתקררים. זו הסיבה, למשל, שקרח צף - מכיוון שצפיפותו נמוכה יותר משל מים נוזליים. אילוסטרציה: pixabay.
האנומליה של המים: במעבר בין נוזל לקרח, מגדילים המים את נפחם – בניגוד לאופן ההתנהגות המוכר לנו בחומרים אחרים, הנוטים להתכווץ ולאבד מנפחם ככל שהם מתקררים. זו הסיבה, למשל, שקרח צף – מכיוון שצפיפותו נמוכה יותר משל מים נוזליים. אילוסטרציה: pixabay.

במאמר מדעי המתפרסם החודש ב-Nature Scientific Reports מסבירים החוקרים – בעזרת המודל הזה – את אופן ההתנהגות המסתורי של מים, קרוב לנקודת הקיפאון. האנומליה של המים מוכרת היטב לכל מי ששכח בקבוק זכוכית מלא במים בתא ההקפאה של המקרר שלו וגילה כי הבקבוק התפוצץ בשל התרחבות הנפח של המים המתרחשת סביב נקודת הקיפאון. במעבר בין נוזל לקרח, מגדילים המים את נפחם – בניגוד לאופן ההתנהגות המוכר לנו בחומרים אחרים, הנוטים להתכווץ ולאבד מנפחם ככל שהם מתקררים.

החוקרים ביצעו סימולציה של המים על מנת לבחון את התכונות המולקולאריות בקצה טווח הטמפרטורות בהן מפגינים מים יציבות מבנה: בקצה העליון של הטווח הזה, נדחסים המים לשרשרות קטנות של מולקולות, ויוצרים טיפות שהטמפרטורה שלהן צונחת עד לזו הנמוכה ביותר הניתנת להשגה במסגרת המבנה הזה של נוזל קר במיוחד – הנמוכה משמעותית מנקודת הקיפאון. בהמשך, הן עוברות ומסתדרות במבנה "מתוח" – כאשר הקשרים בין מולקולות הנוזל תומכים בלחצים גבוהים, לפני שהם "נשברים" על מנת ליצור קימורים אופייניים. העבודה חשפה גם קשרים שלא היו מוכרים בעבר בין המבנה המולקולארי של הנוזל ובין זה המכונה "קרח א-מורפי" – במרקם המזכיר גלידה שהופשרה והוקפאה מחדש באופן בלתי אחיד.

ההצלחה אותה רשם המודל בחיזוי אופן ההתנהגות של מים בעולם האמיתי, מספקת הוכחה ליעילות שיטת הסימולציה ברמת המולקולה הבודדת המהווה בסיס למודל הזה. למרות שהמודל המוצג במאמר מופעל על נוזלים – ניתן לעשות שימוש מעשי בעקרונות המנחים שלו גם בעולם החומרים המוצקים, ועתה מפתחים ב- IBM יישומים חדשים שלו, בתחום מדעי החיים.

למאמר המלא

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן