कडाक्याच्या उन्हातही प्रत्येकाला थंडावा अनुभवायचा असतो. उष्णतेपासून आराम मिळण्यासाठी लोक थंड पेये पितात. शेक किंवा इतर कोणतेही थंड पेय बनवायचे असेल तर त्यासाठी बर्फ आवश्यक आहे. बर्फाशिवाय उन्हाळा घालवणे खूप कठीण आहे. आजही खेड्यापाड्यात उघड्यावर बर्फ विकला जातो. म्हणूनच बर्फ खूप महत्त्वाचा आहे.
तुम्ही कधी लक्षात घेतले आहे का? की जेव्हा तुम्ही हातात बर्फ धरता तेव्हा तो घसरायला लागतो. हे तुमच्या नक्कीच लक्षात आले असेल. मुलांना बर्फाशी खेळायला खूप आवडतं. जेव्हा मुले त्यांच्या हातात बर्फाचे तुकडे धरतात तेव्हा त्यांना बर्फ हाताळणे खूप कठीण असते, कारण ते लगेच घसरते. पण यामागे एक शास्त्रीय कारण आहे जे आज आपण जाणून घेणार आहोत…
बर्फ घसरण्यामागे अनेक गोष्टी कार्यरत असतात. या सगळ्यामागे विज्ञान आपले काम करत असते. शास्त्रज्ञ 160 वर्षांहून अधिक काळ बर्फाच्या बाहेर असलेल्या भागवत अभ्यास करत आहेत. बर्फ गोठणे म्हणजे पाणी गोठणे. हे गोठलेले पाणी रेणूंच्या थरात गुंडाळलेले असते जे द्रवासारखे वागते. एका नवीन अहवालात बर्फाच्या संदर्भातील अनेक गोष्टींची माहिती समोर आली आहे. ज्यावरून बर्फ घसरण्याचे रहस्य उलगडले आहे.
शून्य अंश सेल्सिअसपेक्षा कमी तापमानातही बर्फाचा वितळलेला थर दिसतो. बर्फ वितळण्याची प्रक्रिया “प्रीमेल्टिंग” म्हणून ओळखली जाते. हा थर स्नेहक सारखा कार्य करतो, जे स्पष्ट करते की थंड परिस्थितीतही बर्फ का निसरडा आहे. परंतु ब्रिटीश शास्त्रज्ञ मायकेल फॅराडे यांनी 1850 च्या दशकात प्रथम बर्फाच्या द्रवासारख्या आवरणाची कल्पना विचारात घेतल्यापासून, बर्फाच्या अद्वितीय पृष्ठभागाची फारशी कल्पना नाही.
बर्फाच्या पृष्ठभागाचे दोन प्रकार :
नवीन अभ्यासात, शास्त्रज्ञांनी बर्फाच्या पृष्ठभागावर अणूंचे स्थान काउन्ट करण्यासाठी अणू शक्ती सूक्ष्मदर्शकाचा वापर केला आहे. याशिवाय पेकिंग युनिव्हर्सिटीचे भौतिकशास्त्रज्ञ यिंग जियांग आणि त्यांच्या स्टाफने एक अभ्यास सादर केला असल्याची माहिती समोर आली आहे. यानुसार, -150 अंश सेल्सिअसच्या आसपासच्या तापमानात बर्फाचा पृष्ठभाग (Surface) केवळ एका प्रकारच्या बर्फाचा नाही तर हा भाग दोन प्रकारच्या बर्फाचा तयार झालेला असतो. याशिवाय, जियांग म्हणतात की “बर्फ इतका परिपूर्ण नाही. यामधून असे दिसून आले की, याचा प्रीमेल्टिंगवर देखील परिणाम होऊ शकतो.
बर्फाच्या संरचनेत दोष :
बर्फाच्या रेणूंच्या व्यवस्थेनुसार बर्फ वेगवेगळ्या प्रकारचा असतो. सामान्य परिस्थितीत, पाण्याचे रेणू एकमेकांच्या वर ठेवलेल्या षटकोनी थरांमध्ये असतात. हा षटकोनी बर्फ, ज्याला Ice Ih म्हणतात, तो प्रकार जियांग आणि त्याच्या सहकाऱ्यांनी अभ्यासला होता. पण बर्फाचा पृष्ठभाग पूर्णपणे षटकोनी नसल्याचं टीमला आढळलं.
अणुशक्तीच्या सूक्ष्मदर्शक चित्रांवरून असे दिसून आले की पृष्ठभागावर बर्फाचे काही प्रदेश ice Ih आणि ice Ic चे इतर प्रदेश आहेत, ज्यामध्ये प्रत्येक थरातील षटकोनी हिऱ्यातील कार्बन अणूंच्या व्यवस्थेप्रमाणेच एक रचना तयार करतात. जर्मनी येथील मेन्झ या ठिकाणावरील मॅक्स प्लँक इन्स्टिट्यूट फॉर पॉलिमर रिसर्चचे केमिस्ट युकी नगाटा म्हणतात की मी अत्यंत प्रभावित झालो आहे. रेणू कुठे आहेत हे ओळखणे जास्त आवघड आहे, परंतु मला वाटते की ते यशस्वीपणे शोधू देखील शकतात. मात्र दरम्यान या दोन प्रकारच्या बर्फाच्या सीमेवर देखील संशोधकांना बर्फाच्या संरचनेत दोष असल्याचे समोर आले आहे, जो दोन नमुन्यांमधील चुकीच्या संरेखनामुळे झाला होता. जेव्हा संशोधकांनी तापमानात काही अंशांनी वाढ केली, तेव्हा त्या उलट प्रदेशांचा देखील विस्तार झाला आहे. द्रव पदार्थांमध्ये अणू व रेणू समान रीतीने मांडलेले असतात आणि बर्फाच्या अर्ध्या प्रमाणात द्रव थरासाठीही हेच खरे आहे. टीमचा असा युक्तिवाद आहे की दोषाचा विस्तार प्रीमेल्टिंगचा प्रारंभिक टप्पा प्रतिबिंबित करतो.
पाण्याचे रेणू बर्फात सपाट राहतात :
साधारणपणे, बर्फ हा सुरकुत्या पडलेल्या लेअर्सने बनलेला असतो. बर्फाच्या प्रत्येक लेअर्समध्ये काही पाण्याचे रेणू हे तळाशी साचलेले असतात आणि काही जास्त प्रमाणात असतात. मात्र या टीमला विमानात पाण्याचे रेणू असलेली ठिकाणे सापडली. त्यावेळी ही अशी रचना अगदी मोठ्या अराजकतेचे “बीज” म्हणून काम करते. अगदी उच्च तापमानात, टीमचे संगणक सिम्युलेशन दाखवतात की अपूर्णता बर्फाच्या संपूर्ण पृष्ठभागाला झाकण्यासाठी वाढतात, ज्यामुळे बर्फ पूर्णपणे वितळतो आणि द्रव होतो.
बर्फाच्या पृष्ठभागाचे स्थान फिक्स करण्यासाठी, वैयक्तिक हायड्रोजन अणूंचे (hydrogen atoms) स्थान ओळखण्यास आणि चिन्हांकित करण्यास सक्षम असणे देखील अत्यंत आवश्यक आहे. हे असे कार्य आहे जे सामान्यत: अणुशक्ती सूक्ष्मदर्शकासह आव्हानात्मक असते. एक अणुशक्ती सूक्ष्मदर्शक सामग्रीची टीप इतकी पातळ तपासते की शेवटी फक्त एक रेणू किंवा याव्यतिरिक्त अणू लटकतो. संशोधकांनी टिपमध्ये कार्बन मोनोऑक्साइडचा रेणू जोडून एक विशेष बदल केला. त्या बर्फाभोवती स्कॅन केले असलेल्या पृष्ठभागामधील फोर्स मोजून, संघ प्रोटॉनचे देखील स्थान निश्चित करू शकतो.
कमी तापमानात अभ्यास केला जातो :
हा अभ्यास बर्फाच्या रोजच्या तापमानापेक्षा खूपच कमी तापमानात करण्यात आला आहे. पण प्रयोग व्हॅक्यूममध्ये करणे आवश्यक आहे, जर तापमान खूप वाढले असेल तर पाण्याचे रेणू बर्फातून बाहेर येतील. संशोधकांना आशा आहे की बाल्मियर परिस्थितीत मोजमाप साध्य करण्यासाठी बर्फ हलके गरम करण्यासाठी लहान लेसर डाळी वापरल्या जातील. बर्फाच्या आतील रचना पूर्णपणे वेगळी आणि भिन्न आहे, ज्यामुळे बर्फाची तरलता वाढते. हे बर्फाच्या वरच्या थराला सर्वात जास्त प्रभावित करते, म्हणजेच बर्फाचा वरील भाग हा विटाळ जातो आणि तो रूपांतर पाण्यात बदलतो. जेव्हा कोणी बर्फ हातात घेतो अगदी त्यावेळी बर्फाचा बाहेरचा भाग हा हातातून निसटत असतो, तसाच पाणी निसटतो. याशिवाय आपल्या शरीराचे तापमान देखील जास्त असते, जेव्हा बर्फ आपल्या म्हणजेच मानवी शरीराच्या संपर्कात येतो. अगदी याच कारणामुळे बर्ड हातातून वितळू लागतो.
