التبريد الفائق

التبريد الفائق ، ^{[ 1 ]} المعروف أيضًا باسم التبريد الناقص ، ^{[ 2 ] [ 3 ]} هو عملية خفض درجة حرارة سائل إلى ما دون نقطة تجمده دون أن يتحول إلى مادة صلبة. ووفقًا للتعريف الدولي المعتمد، يعني التبريد الفائق "تبريد مادة ما إلى ما دون نقطة تجمدها الطبيعية دون تصلبها". ^{[ 4 ] [ 5 ]} وبينما يمكن تحقيقه بوسائل فيزيائية مختلفة، فإن تأخير التصلب غالبًا ما يكون بسبب غياب البلورات الأولية أو النوى التي يمكن أن تتشكل حولها بنية بلورية . ويمكن تحقيق التبريد الفائق للماء دون أي تقنيات خاصة باستثناء إزالة المعادن كيميائيًا، وصولًا إلى -48.3 درجة مئوية (-54.9 درجة فهرنهايت) . ويمكن أن يوجد الماء فائق التبريد بشكل طبيعي، على سبيل المثال في الغلاف الجوي أو الحيوانات أو النباتات.  

وُصفت هذه الظاهرة لأول مرة عام 1724 من قبل دانيال غابرييل فهرنهايت ، أثناء تطويره لمقياس فهرنهايت . ^{[ 6 ] [ 7 ]}

عندما يتجاوز السائل درجة تجمده القياسية، فإنه يتبلور بوجود بلورة بذرة أو نواة تتشكل حولها بنية بلورية مكونةً مادة صلبة. وفي حال عدم وجود أي نوى من هذا القبيل، يمكن الحفاظ على الحالة السائلة حتى درجة الحرارة التي يحدث عندها التكوين المتجانس للنوى البلورية . ^{[ 8 ]}

يمكن أن يحدث التكوين المتجانس فوق درجة حرارة التحول الزجاجي ، ولكن إذا لم يحدث التكوين المتجانس فوق درجة الحرارة تلك، فسوف تتشكل مادة صلبة غير متبلورة (غير بلورية).

يتجمد الماء عادةً عند 273.15 كلفن (0.0 درجة مئوية؛ 32 درجة فهرنهايت) ، ولكن يمكن تبريده تبريدًا فائقًا عند الضغط القياسي حتى يصل إلى مرحلة التبلور المتجانس عند حوالي 224.8 كلفن (-48.3 درجة مئوية؛ -55.0 درجة فهرنهايت) . ^{[ 9 ] [ 10 ]} تتطلب عملية التبريد الفائق أن يكون الماء نقيًا وخاليًا من مواقع التبلور ، وهو ما يمكن تحقيقه من خلال عمليات مثل التناضح العكسي أو إزالة المعادن كيميائيًا ، ولكن عملية التبريد نفسها لا تتطلب أي تقنية متخصصة. إذا تم تبريد الماء بمعدل 10⁶ ^كلفن /ثانية، يمكن تجنب التبلور ويصبح الماء زجاجًا - أي مادة صلبة غير متبلورة. درجة حرارة التحول الزجاجي للماء أبرد بكثير وأصعب في التحديد، لكن الدراسات تُقدّرها بحوالي 136 كلفن (-137 درجة مئوية؛ -215 درجة فهرنهايت) . ^{[ 11 ]} يمكن تسخين الماء الزجاجي حتى حوالي 150 كلفن (-123 درجة مئوية؛ -190 درجة فهرنهايت) دون حدوث تبلور. ^{[ 10 ]} في نطاق درجات الحرارة بين 150 و231 كلفن (-123 و-42.2 درجة مئوية؛ -190 و-43.9 درجة فهرنهايت) ، لا تُظهر التجارب سوى الجليد البلوري.                

تتواجد قطرات الماء فائقة التبريد عادةً في السحب الطبقية والركامية . وتشهد الطائرات التي تحلق عبر هذه السحب تبلورًا مفاجئًا لهذه القطرات، مما قد يؤدي إلى تكوّن الجليد على أجنحة الطائرة أو انسداد أجهزتها ومجساتها، ما لم تكن الطائرة مزودة بنظام حماية مناسب من الجليد . كما أن المطر المتجمد ينتج أيضًا عن قطرات الماء فائقة التبريد.

تُعدّ عملية انصهار المواد الصلبة فوق درجة التجمد، وهي العملية المعاكسة للتبريد الفائق، أكثر صعوبةً بكثير، إذ تنصهر المواد الصلبة دائمًا تقريبًا عند نفس درجة الحرارة لضغط مُحدد . ولهذا السبب، تُحدَّد درجة الانصهار عادةً باستخدام أجهزة قياس درجة الانصهار . حتى عندما يكون موضوع البحث هو "تحديد درجة التجمد"، فإن المنهجية الفعلية هي "مبدأ مُلاحظة اختفاء الجليد بدلًا من تكوّنه". ^{[ 12 ]} من الممكن، عند ضغط مُحدد، تسخين سائل فوق درجة غليانه دون أن يتحول إلى غاز.

يجب عدم الخلط بين التبريد الفائق وانخفاض درجة التجمد . التبريد الفائق هو تبريد سائل إلى ما دون درجة تجمده دون أن يتجمد. أما انخفاض درجة التجمد فيحدث عندما يمكن تبريد محلول إلى ما دون درجة تجمد السائل النقي المقابل بسبب وجود المذاب . ومن الأمثلة على ذلك انخفاض درجة التجمد الذي يحدث عند إضافة الملح إلى الماء النقي.

يحدث التبريد الفائق البنيوي أثناء التصلب نتيجةً لتغيرات في تركيب المادة الصلبة، ويؤدي إلى تبريد السائل إلى ما دون درجة التجمد أمام سطح التماس بين المادة الصلبة والسائلة . عند تصلب السائل، يكون سطح التماس غالبًا غير مستقر، ولذا يجب أن تكون سرعة هذا السطح منخفضة لتجنب التبريد الفائق البنيوي.

تُلاحظ ظاهرة التبريد الفائق البنيوي عندما يكون تدرج درجة حرارة السائل عند السطح البيني (الموضع x=0) أكبر من تدرج درجة الحرارة المفروض:

${\displaystyle \left.{\frac {\partial T_{L}}{\partial x}}\right|_{x=0}>{\frac {\partial T}{\partial x}}}$

يُعطى ميل خط السيولة من مخطط الطور الثنائي بالعلاقة التالية:${\displaystyle m=\partial T_{L}/\partial C_{L}}$وبالتالي، يمكن كتابة معيار التبريد الفائق الدستوري لسبيكة ثنائية بدلالة تدرج التركيز عند السطح البيني:

${\displaystyle m\left.{\frac {\partial C_{L}}{\partial x}}\right|_{x=0}>{\frac {\partial T}{\partial x}}}$

يُعطى تدرج التركيز أمام سطح مستوٍ بالعلاقة التالية:

$\displaystyle \left.{\frac {\partial C_{L}}{\partial x}}\right|_{x=0}=-(C^{LS}-C^{SL}){\frac {v}{D}}}$

أين${\displaystyle v}$هي سرعة السطح البيني،${\displaystyle D}$معامل الانتشار ، و${\displaystyle C^{LS}}$و${\displaystyle C^{SL}}$تمثل هذه التركيبات مكونات السائل والصلب عند السطح البيني، على التوالي (أي،${\displaystyle C^{LS}=C_{L}(x=0)}$).

بالنسبة للنمو المستقر للسطح البيني المستوي، يكون تركيب المادة الصلبة مساوياً لتركيب السبيكة الاسمي.${\displaystyle C^{SL}=C_{0}}$، ومعامل التوزيع ،${\displaystyle k=C^{SL}/C^{LS}}$يمكن افتراض ثبات قيمة . لذلك، يُعطى الحد الأدنى للتدرج الحراري اللازم لتكوين جبهة صلبة مستقرة بالعلاقة التالية:

${\displaystyle {\frac {\partial T}{\partial x}}={\frac {mC_{0}(1-k)v}{kD}}}$

للمزيد من المعلومات، انظر الفصل 3 من ^{[ 13 ]}

للبقاء على قيد الحياة في درجات حرارة منخفضة للغاية في بيئات معينة، تستخدم بعض الحيوانات ظاهرة التبريد الفائق التي تسمح لها بالبقاء غير متجمدة وتجنب تلف الخلايا والموت. هناك العديد من التقنيات التي تساعد في الحفاظ على الحالة السائلة، مثل إنتاج بروتينات مضادة للتجمد ، أو AFPs، التي ترتبط ببلورات الجليد لمنع جزيئات الماء من الارتباط بها وانتشار نمو الجليد. ^{[ 14 ]} سمك الفلاوندر الشتوي هو أحد هذه الأسماك التي تستخدم هذه البروتينات للبقاء على قيد الحياة في بيئتها المتجمدة. يفرز الكبد بروتينات غير تجميعية في مجرى الدم. ^{[ 15 ]} تستخدم حيوانات أخرى مضادات تجمد تجميعية، والتي تزيد من تركيز المواد المذابة في سوائل أجسامها، مما يخفض درجة تجمدها. يجب على الأسماك التي تعتمد على التبريد الفائق للبقاء على قيد الحياة أن تعيش أيضًا تحت سطح الماء، لأنه إذا لامست نوى الجليد فإنها ستتجمد على الفور. يجب على الحيوانات التي تخضع للتبريد الفائق للبقاء على قيد الحياة أيضًا إزالة عوامل تكوين نوى الجليد من أجسامها لأنها تعمل كنقطة بداية للتجمد. يُعدّ التبريد الفائق سمة شائعة أيضاً في بعض الحشرات والزواحف وغيرها من الكائنات ذات الدم البارد . فقد استطاعت يرقة دودة البطاطا الكيسية ( Globodera rostochiensis ) البقاء على قيد الحياة داخل أكياسها في حالة تبريد فائق تصل إلى درجات حرارة منخفضة تصل إلى -38 درجة مئوية (-36 درجة فهرنهايت) ، حتى مع وجود الكيس محاطاً بالجليد.  

كلما انخفضت درجة حرارة جسم الحيوان عن درجة انصهاره، ازداد احتمال تجمد سوائله الداخلية تلقائيًا بشكل كبير، نظرًا لأن هذه الحالة غير مستقرة ديناميكيًا حراريًا. تصل السوائل في النهاية إلى نقطة التبريد الفائق، وهي درجة الحرارة التي يتجمد عندها المحلول المبرد تلقائيًا لانخفاضه الشديد عن درجة تجمده الطبيعية. ^{[ 16 ]} تتعرض الحيوانات للتبريد الفائق دون قصد، ولا تستطيع تقليل احتمالية تجمدها إلا بعد وصولها إلى هذه الحالة. ورغم أن التبريد الفائق ضروري للبقاء، إلا أنه ينطوي على مخاطر عديدة.

تستطيع النباتات أيضًا البقاء على قيد الحياة في ظروف البرد القارس التي تسود خلال أشهر الشتاء. تتأقلم العديد من أنواع النباتات التي تعيش في المناخات الشمالية مع هذه الظروف الباردة عن طريق التبريد الفائق، وبالتالي تتحمل درجات حرارة منخفضة تصل إلى -40 درجة مئوية (-40 درجة فهرنهايت) . ^{[ 17 ]} على الرغم من أن ظاهرة التبريد الفائق هذه لا تزال غير مفهومة تمامًا، فقد تم رصدها باستخدام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء . يحدث تكوّن نوى الجليد في بعض أعضاء وأنسجة النبات، ويُعتقد أنه يبدأ في نسيج الخشب وينتشر في جميع أنحاء النبات. ^{[ 18 ] [ 19 ]} يسمح التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء برؤية قطرات الماء أثناء تبلورها في الفراغات خارج الخلوية. ^{[ 20 ]}  

يُثبّط التبريد الفائق تكوّن الجليد داخل الأنسجة عن طريق التبلور الجليدي، مما يسمح للخلايا بالحفاظ على الماء في حالة سائلة، كما يسمح للماء داخل الخلية بالبقاء منفصلاً عن الجليد خارج الخلوي. ^{[ 20 ]} تعمل الحواجز الخلوية ، مثل اللجنين والسوبرين والكيوتيكل، على تثبيط مُنَوِّيات الجليد، وتُجبر الماء على الدخول إلى الأنسجة المُبرَّدة تبريدًا فائقًا. ^{[ 21 ]} يُعدّ الخشب والأنسجة الأولية للنباتات شديدة الحساسية لدرجات الحرارة المنخفضة نظرًا لارتفاع نسبة الماء في الخلية. تتمتع العديد من أنواع الأخشاب الصلبة في المناطق الشمالية بقدرة على منع انتشار الجليد إلى الأفرع، مما يسمح للنبات بتحمّل البرد. ^{[ 22 ]} وقد تمّ رصد التبريد الفائق في الشجيرات دائمة الخضرة، مثل رودودندرون فيروجينيوم وفاسينيوم فيتيس-إيديا، بالإضافة إلى أنواع من التنوب والشوكران والأرز . ^{[ 22 ]} لا يؤثر التجمّد خارج الخلية وداخل جدارها على بقاء النبات. ^{[ 23 ]} ومع ذلك، قد يؤدي الجليد خارج الخلوي إلى جفاف النبات. ^{[ 19 ]}

يؤثر وجود الملح في مياه البحر على درجة تجمدها. ولهذا السبب، من الممكن أن تبقى مياه البحر في الحالة السائلة عند درجات حرارة أقل من درجة انصهارها. تُعرف هذه الظاهرة باسم "التبريد الفائق الزائف"، لأنها ناتجة عن انخفاض درجة التجمد بسبب وجود الملح، وليس عن التبريد الفائق الحقيقي. تُلاحظ هذه الحالة بشكل شائع في المحيطات المحيطة بالقارة القطبية الجنوبية ، حيث يؤدي ذوبان الطبقات السفلية من الجروف الجليدية تحت ضغط عالٍ إلى تكوين مياه ذائبة سائلة قد تكون درجة حرارتها أقل من درجة التجمد. يُفترض أن هذه المياه لا تتجمد فورًا بسبب نقص مواقع التبلور. ^{[ 24 ]} يُشكل هذا تحديًا لأجهزة القياس الأوقيانوغرافية، حيث تتشكل بلورات الجليد بسهولة على هذه الأجهزة، مما قد يؤثر على جودة البيانات. ^{[ 25 ]} سيؤثر وجود مياه البحر شديدة البرودة في نهاية المطاف على نمو الجليد البحري .

يُستخدم التبريد الفائق في العديد من التطبيقات التجارية . إذ يمكن للمجمدات تبريد المشروبات إلى درجة تبريد فائقة ^{[ 26 ]} بحيث تتحول إلى ما يشبه الثلج المجروش عند فتحها . ومن الأمثلة الأخرى منتجٌ قادرٌ على تبريد المشروب تبريدًا فائقًا في مجمد تقليدي. ^{[ 27 ]} وقد سوّقت شركة كوكاكولا لفترة وجيزة آلات بيع خاصة تحتوي على مشروب سبرايت في المملكة المتحدة، وكوكاكولا في سنغافورة، حيث كانت تُخزّن الزجاجات في حالة تبريد فائقة بحيث يتحول محتواها إلى ثلج مجروش عند فتحها. ^{[ 28 ]}

تم تطبيق التبريد الفائق بنجاح في حفظ الأعضاء في مستشفى ماساتشوستس العام/ كلية الطب بجامعة هارفارد . حُفظت أكباد زُرعت لاحقًا في حيوانات متلقية عن طريق التبريد الفائق لمدة تصل إلى 4 أيام، مما ضاعف أربع مرات حدود ما يمكن تحقيقه باستخدام طرق حفظ الكبد التقليدية. تم تبريد الأكباد إلى درجة حرارة -6 درجة مئوية (21 درجة فهرنهايت) في محلول متخصص يحميها من التجمد والتلف الناتج عن البرودة الشديدة. ^{[ 29 ]}  

ومن التطبيقات المحتملة الأخرى توصيل الأدوية. ففي عام 2015، قام باحثون بتبلور الأغشية في وقت محدد. ويمكن توصيل الأدوية المغلفة بسائل إلى الموقع، ومع حدوث تغيير طفيف في البيئة، يتحول السائل بسرعة إلى شكل بلوري يطلق الدواء. ^{[ 30 ]}

في عام 2016، اقترح فريق من جامعة ولاية آيوا طريقةً للحام بدون حرارة باستخدام قطرات مغلفة من معدن سائل فائق التبريد لإصلاح الأجهزة الإلكترونية الحساسة للحرارة. ^{[ 31 ] [ 32 ]} وفي عام 2019، أثبت الفريق نفسه استخدام المعدن فائق التبريد لطباعة وصلات معدنية صلبة على أسطح تتراوح بين القطبية (كالورق والهلام) إلى فائقة الكراهية للماء (كتلات الورد)، مع العلم أن جميع هذه الأسطح ذات معامل مرونة أقل من المعدن. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

اقترح افتخاري وآخرون نظرية تجريبية تشرح كيف يمكن للتبريد الفائق للبلورات السائلة الأيونية أن يُنشئ قنوات مُرتبة للانتشار في تطبيقات تخزين الطاقة. في هذه الحالة، يتمتع الإلكتروليت ببنية صلبة تُضاهي بنية الإلكتروليت الصلب، لكن معامل الانتشار قد يكون كبيرًا كما هو الحال في الإلكتروليتات السائلة. يزيد التبريد الفائق من لزوجة الوسط، ولكنه يُبقي القنوات الاتجاهية مفتوحة للانتشار. ^{[ 35 ]}

في عام ٢٠١٧، أثبت مختبر في جامعة هاواي في مانوا أن الجمع بين المجالات الكهربائية النبضية والمجالات المغناطيسية المتذبذبة يمكن أن يمنع التكوّن المفاجئ لبلورات الجليد. تم تبريد لحم الدجاج إلى -٦.٥ درجة مئوية (٢٠.٣ درجة فهرنهايت) في وجود هذه المجالات، وأظهرت النتائج لاحقًا أن اللحم غير المجمد احتفظ بجودته دون حدوث حروق تجميد ملحوظة. ^{[ ٣٦ ]} وأُجريت تجارب لاحقة على الأسماك ولحم البقر، حيث لوحظت تأثيرات حفظ مماثلة. ^{[ ٣٧ ] [ ٣٨ ]}

• مادة صلبة غير متبلورة
• المطر المتجمد
• تقنية ضخ الثلج
• التبريد الفرعي
• التسخين الفائق
• ذرة فائقة البرودة
• سائل لزج

• جيوفامباتيستا، ن.؛ أنجيل، ك.أ.؛ سيورتينو، ف.؛ ستانلي، هـ.إ. (يوليو 2004). "درجة حرارة التحول الزجاجي للماء: دراسة محاكاة" (ملف PDF) . مجلة Physical Review Letters . 93 (4) 047801. arXiv : cond-mat/0403133 . Bibcode : 2004PhRvL..93d7801G . doi : 10.1103/PhysRevLett.93.047801 . PMID 15323794. S2CID 8311857 .  
• روغرسون، ما؛ كاردوسو، إس إس إس (أبريل 2004). "التصلب في عبوات التسخين: الجزء الثالث. المحفز المعدني" . مجلة AIChE . 49 (2): 522-529 . doi : 10.1002/aic.690490222 .{{cite journal}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )

• ماء وكولا فائق التبريد على يوتيوب
• الماء فائق التبريد على يوتيوب
• فيديو Super Cooled Water #2 على يوتيوب
• تجارب تكوين النوى في الماء فائق التبريد على يوتيوب
• السوائل فائقة التبريد على موقع arxiv.org
• بودكاست راديولاب حول التبريد الفائق