Hiç kimse havayı kontrol edemez, ancak bazı bulutlar kasıtlı olarak yağmur veya kar yağdıracak şekilde tetiklenebilir. Bulut tohumlama olarak bilinen işlem, tipik olarak küçük gümüş iyodür parçacıklarının uçaklardan bulutlara dağıtılmasını içerir. Bu parçacıklar, üzerinde su moleküllerinin biriktiği, buz kristalleri oluşturan, büyüyen ve sonunda yağmur veya kar olarak yere düşecek kadar ağırlaşan tohumlar gibi davranır.
Şimdiye kadar bu sürecin mikroskobik ayrıntıları belirsizliğini koruyordu. TU Wien’deki araştırmacılar, yüksek çözünürlüklü mikroskopi ve bilgisayar simülasyonları kullanarak gümüş iyodürün atomik ölçekte suyla nasıl etkileşime girdiğini araştırdılar.
Bulguları, şu adreste yayınlandı: Bilim Gelişmelerigümüş iyodürün temelde iki farklı yüzeyi açığa çıkardığını, ancak bunlardan yalnızca birinin buz çekirdeklenmesini desteklediğini ortaya koyuyor. Bu keşif, bulutların yağmur ve karı nasıl oluşturduğuna dair anlayışımızı derinleştiriyor ve yağışları tetikleyecek gelişmiş malzemelerin tasarımına rehberlik edebilir.
Yüzey yapısı buz oluşumunun anahtarını taşıyor
Araştırmayı yöneten TU Wien Uygulamalı Fizik Enstitüsü’nden Jan Balajka, “Gümüş iyodür, kar tanelerinden tanıdık altı katlı simetriye sahip altıgen yapılar oluşturuyor” diyor. “Atomlar arasındaki mesafeler de buz kristallerindeki mesafelerle yakından eşleşiyor. Uzun bir süre boyunca yapısal benzerliğin, gümüş iyodürün buz oluşumunda neden bu kadar etkili bir çekirdek olduğunu açıkladığı düşünülüyordu. Ancak daha yakından incelendiğinde, daha karmaşık bir mekanizma ortaya çıkıyor.”
Buz çekirdeklenmesinin meydana geldiği yüzeyin atomik yapısı kristalin içindekinden farklıdır. Bir gümüş iyodür kristali bölündüğünde, gümüş atomları bir tarafta, iyot atomları ise diğer tarafta sonlanır. Deneyleri gerçekleştiren Johanna Hütner, “Gümüş uçlu ve iyot uçlu yüzeylerin tamamen farklı şekillerde yeniden yapılandırıldığını bulduk” diyor.
Gümüşle sonlanan yüzey, bir buz tabakasının büyümesi için ideal bir şablon sağlayan altıgen bir düzenlemeyi korurken, iyotla sonlanan yüzey, buz kristallerinin altı katlı simetrisine artık uymayan dikdörtgen bir desen halinde yeniden yapılandırılır.
Balajka, “Yalnızca gümüşle sonlandırılmış yüzey çekirdeklenme etkisine katkıda bulunuyor” diye açıklıyor. “Gümüş iyodürün bulutlarda buz oluşumunu tetikleme yeteneği yalnızca toplu kristal yapısıyla açıklanamaz. Belirleyici faktör, şimdiye kadar tamamen gözden kaçırılan bir etki olan yüzeydeki atomik ölçekte yeniden düzenlemedir.”
Deneyler ve simülasyonlar yoluyla buz çekirdeklenmesini çözme
TU Wien ekibi bu etkileri iki tamamlayıcı yaklaşım kullanarak araştırdı. İlk olarak deneyler çok yüksek vakum altında ve çok düşük sıcaklıklarda gerçekleştirildi. Su buharı küçük gümüş iyodür kristalleri üzerinde biriktirildi ve ortaya çıkan yapılar, yüksek çözünürlüklü atomik kuvvet mikroskobu kullanılarak incelendi.
Johanna Hütner, “Zorluklardan biri de tüm deneylerin tamamen karanlıkta yapılmasının gerekmesiydi” diye açıklıyor. “Gümüş iyodür ışığa son derece duyarlıdır ve bu özellik onu bir zamanlar fotoğraf plakalarında ve filmlerinde kullanışlı hale getirmişti. Kırmızı ışığı yalnızca numuneleri vakum odası içinde tutarken ara sıra kullandık.”
Buna paralel olarak ekip, atomik ölçekte etkileşimlerin kuantum mekaniksel modellemesi için gelişmiş bir hesaplama yöntemi olan yoğunluk fonksiyonel teorisini kullanarak yüzeyleri ve bunları kaplayan su yapılarını simüle etti.
Hesaplamaları gerçekleştiren Andrea Conti, “Bu simülasyonlar hangi atomik düzenlemelerin enerji açısından en kararlı olduğunu belirlememize olanak sağladı” diye açıklıyor. “Gümüş iyodür-su arayüzünü doğru bir şekilde modelleyerek, ilk su moleküllerinin yüzeyde bir buz tabakası oluşturacak şekilde nasıl organize olduğunu gözlemleyebiliriz.”
Çalışmanın yürütüldüğü TU Wien’deki Yüzey Fiziği Grubu başkanı Ulrike Diebold, “Bu kadar uzun süre, gümüş iyodürün çekirdeklenme davranışına ilişkin oldukça belirsiz, fenomenolojik bir açıklamaya dayanmamız dikkate değer” diyor.
“Buz çekirdeklenmesi, atmosfer fiziği için merkezi öneme sahip bir olgudur ve atomik ölçekteki anlayış, diğer malzemelerin etkili çekirdeklenme ajanları olarak hizmet edip edemeyeceğini değerlendirmek için bir temel sağlar.”
