חם, מתחמם, קפוא

האם אפשר להקפיא מים באמצעות חימום? מדעני מכון ויצמן גילו באחרונה, כי מים יכולים להפוך מנוזל למוצק בטמפרטורות שונות, בהתאם למטען החשמלי של המשטח עליו הם מונחים.

האם אפשר להקפיא מים באמצעות חימום? מדעני מכון ויצמן גילו באחרונה, כי מים יכולים להפוך מנוזל למוצק בטמפרטורות שונות, בהתאם למטען החשמלי של המשטח עליו הם מונחים. באמצעות יצירת תנאים הגורמים להפיכת המטען החשמלי, גרמו המדענים להיווצרות קרח בזמן שהמשטח דווקא התחמם. ממצאים אלה פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Science.

פרופ’ איגור לובומירסקי, תלמיד המחקר (אז) דוד אהרה, תלמיד המחקר איתי לברט-אופיר, ופרופ’ מאיר להב מהמחלקה לחקר חומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע, ביססו את הניסוי שלהם על השערה ותיקה, הטוענת שמטען חשמלי מסוגל לעודד הקפאה בכך שהוא גורם למולקולות המים להסתדר בשורה “עורפית” בהתאם למטענן. עם זאת, חוקרים התקשו עד כה למצוא דרך טובה לבדוק את ההשערה, מכיוון שרוב החומרים הנושאים מטען – בעיקר מתכות – משמשים גם כמוקדים (גרעינים) לייצור גבישי קרח: כשמים קופאים בטמפרטורה של אפס מעלות צלזיוס, גבישי הקרח מתחילים להתגבש מסביב לחלקיקי אבק או לזיהומים אחרים. אבל מים במצב “קירור-על”, כמו אלה שנמצאים בעננים גבוהים, עשויים להישאר במצב נוזלי גם בטמפרטורה נמוכה בהרבה מנקודת הקיפאון, כל עוד אין גורם שיזרז את גיבושם.

המדענים מצאו דרך לפתור את הבעיה. הם הזליפו מים על משטח מיוחד עשוי מגבישים פירו-אלקטריים שנושאים מטען כשהם עוברים חימום או קירור, אבל אינם משמשים גרעינים ליצירת גבישי קרח. להפתעתם, הם גילו כי בעוד שעל משטח בעל מטען חיובי המים קופאים בטמפרטורה של שבע מעלות צלזיוס מתחת לאפס, ועל משטח לא טעון בטמפרטורה של 12.5 מעלות צלזיוס מתחת לאפס, הרי שעל משטח בעל מטען שלילי, המים הופכים לקרח רק בטמפרטורה נמוכה הרבה יותר: 18 מעלות צלזיוס מתחת לאפס. לכן, כאשר הניחו החוקרים מים על משטח טעון שלילית שהטמפרטורה שלו היא 11 מעלות צלזיוס מתחת לאפס, והפכו את המטען לחיובי תוך כדי חימום הטמפרטורה לשמונה מעלות מתחת לאפס, קפאו המים ויצרו קרח (כאמור, על משטח בעל מטען חיובי המים קופאים בטמפרטורה של שבע מעלות צלזיוס מתחת לאפס).