شگفتی تازه درباره آب!

به گزارش مجله خبری نگار/آنا،آب، این مایع آشنا که همه‌چیز را به زندگی پیوند می‌دهد، زیر ذره‌بین علم رفت تا چهره‌ای دیگر از خود نشان دهد. به گزارش «مجله علمی شیمی آمریکا»، در آزمایشی دقیق در «دانشگاه علوم توکیو» (Tokyo University of Science)، پژوهشگران نوعی از آب موسوم به «آب سنگین» (Heavy Water) را در کانال‌هایی بسیار ریز منجمد کردند و سپس به‌آرامی گرم نمودند. نتیجه حیرت‌انگیز بود. مولکول‌های آب نه کاملاً جامد بودند و نه کاملاً مایع، حالتی میان دو جهان، که دانشمندان آن را «پیش‌ذوب» (Premelting State) می‌نامند.

وقتی آب قواعد طبیعت را دور می‌زند

در نگاه روزمره، آب دو چهره دارد. مایع روان یا یخ جامد. اما در مقیاس مولکولی، این مرز چندان روشن نیست. در حالت یخ، مولکول‌ها در شبکه‌ای منظم و ثابت جای گرفته‌اند، و در حالت مایع، آزادانه در حرکت‌اند.

در حالت تازه‌کشف‌شده، مولکول‌ها هر دو رفتار را هم‌زمان بروز می‌دهند، موقعیتشان ثابت است، اما خودشان با سرعت زیاد در جا می‌چرخند.

پژوهشگر ارشد، «ماکوتو تادوکورو» (Makoto Tadokoro)، در توضیح این پدیده گفت: «در وضعیت پیش‌ذوب، بخشی از مولکول‌های H₂O که پیوند‌های هیدروژنی ناقص دارند، پیش از آغاز ذوب کامل شروع به حرکت می‌کنند. این حالت در واقع فازی تازه از آب است که در آن لایه‌هایی از مولکول‌های منجمد و متحرک با هم همزیستی دارند.»

آب در تنگنا؛ جایی که قوانین تغییر می‌کنند.

برای دیدن این حالت عجیب، پژوهشگران آب را در فضای بسیار تنگی حبس کردند، کانال‌هایی با قطر تنها ۱٫۶ نانومتر، یعنی تقریباً یک‌میلیونیوم قطر موی انسان. در چنین ابعادی، مولکول‌ها دیگر مثل آب آزاد رفتار نمی‌کنند. نیرو‌های سطحی و محدودیت مکان باعث می‌شود که رفتارشان از قوانین معمول فیزیک انحراف پیدا کند.

اما این آب معمولی نبود، بلکه «آب سنگین» (D₂O)، نوعی ایزوتوپ آب که در آن اتم‌های هیدروژن با «دوتریوم» (Deuterium) جایگزین شده‌اند. دوتریوم، با داشتن یک نوترون اضافی، باعث می‌شود جرم مولکول کمی بیشتر شود و این تفاوت جزئی در جرم، اثرات چشمگیری در رفتار مولکولی ایجاد می‌کند.

پژوهشگران پس از منجمد کردن آب سنگین، آن را به‌آرامی گرم کردند و با فناوری «طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای دوتریوم» (Deuterium NMR Spectroscopy) رفتار مولکول‌ها را ثبت کردند. آنچه دیدند، ساختاری سه‌لایه بود:

۱. لایه‌ای از مولکول‌های ثابت شبیه به یخ

۲. لایه‌ای نیمه‌فعال با حرکات چرخشی

۳. و لایه‌ای بیرونی که مثل مایع جریان داشت

سه لایه در یک قطره؛ تصویری از نظم و آشوب

تصویر به‌دست‌آمده و داد‌ه‌ها شنشان داد مولکول‌های آب در این وضعیت در سه سطح متفاوت با یکدیگر تعامل دارند؛ ترکیبی از نظم و آزادی.

این حالت یادآور فیلم نازکی از آب است که روی سطح یخ در دما‌های زیر صفر تشکیل می‌شود، لایه‌ای که باعث می‌شود یخ‌ها لغزنده باشند.

اما تفاوت در اینجاست که در یخ معمولی، این لایه فقط روی سطح دیده می‌شود، در حالی‌که در شرایط جدید، کل ساختار آب درون کانال به چنین وضعیتی درمی‌آید؛ یعنی تمام ماده در حالت «نه کاملاً جامد، نه کاملاً مایع» باقی می‌ماند.

آب سنگین؛ نسخه آرام‌تر، اما هوشمندتر

آب سنگین (D₂O) در نگاه نخست تفاوت زیادی با آب معمولی ندارد، اما در آزمایش‌های فیزیکی رفتاری متفاوت از خود نشان می‌دهد. چون جرم بیشتری دارد، حرکت‌های مولکولی در آن کندتر و منظم‌تر است. همین ویژگی به دانشمندان اجازه داد حالت «پیش‌ذوب» را با دقت مشاهده کنند، حالتی که در آب معمولی به‌دلیل سرعت زیاد حرکات مولکولی، تقریباً غیرقابل ردیابی است.

پژوهشگر ژاپنی تادوکورو در گفت‌و‌گو با رسانه‌های علمی گفت: «درون این کانال‌های نانومتری، آب سنگین شروع به رفتار‌هایی می‌کند که تاکنون در هیچ مقیاس ماکروسکوپی دیده نشده بود. این همان جایی است که علم و شگفتی با هم تلاقی می‌کنند.»

پیامد‌های شگفت‌انگیز برای علم و فناوری

شناخت حالت‌های تازه آب فقط یک کنجکاوی علمی نیست. به گزارش «ساینس آلرت» (Science Alert)، کاربرد‌های عملی آن می‌تواند از ذخیره گاز‌های انرژی‌زا تا طراحی مواد نوین در صنایع پیشرفته گسترش یابد.

تادوکورو اینطور می‌گوید: «با ایجاد ساختار‌های تازه در شبکه‌های یخ، شاید بتوان گاز‌هایی مانند هیدروژن و متان را درون آن ذخیره کرد و مواد جدیدی بر پایه آب ساخت، چیزی شبیه یخ مصنوعی یا چارچوب‌های مولکولی آب.»

چنین فناوری‌هایی می‌تواند راهی برای ذخیره انرژی پاک در مقیاس نانو یا حتی طراحی حسگر‌های زیستی با کارایی بالا باشد.

چپ: آب فوق سرد (سبز) در یک نانوحفره

راست: خوشه‌های مولکول آب در حالت پیش از ذوب، ترکیبی از مولکول‌ها را در حالت‌های آب و یخ نشان

از آزمایشگاه تا جهان واقعی

اگرچه حالت پیش‌ذوب در شرایط آزمایشگاهی و در مقیاس نانو مشاهده شد، دانشمندان معتقدند نسخه‌هایی از این رفتار در طبیعت نیز وجود دارد.

فیلم نازک آبی که همیشه روی سطح یخ دیده می‌شود، حتی در سرمای زیر صفر، احتمالاً همان اثر در مقیاس بزرگ‌تر است. این لایه‌ها عامل لغزندگی یخ و حتی رفتار خاص برف و یخچال‌ها هستند.

در واقع، هر بار که روی یخ راه می‌رویم، ردی از «آب نیمه‌جامد» زیر پایمان است، مرزی میان دو حالت که جهان را لغزنده و زیبا کرده است.

نگاهی از زاویه فلسفی‌تر

کشف حالت پیش‌ذوب در آب، بیش از یک یافته علمی است؛ یادآوری دوباره‌ای از پیچیدگی طبیعت در ساده‌ترین شکل‌هایش. آب که حدود ۷۰ درصد بدن انسان را تشکیل می‌دهد، حالا چهره‌ای تازه از انعطاف و پایداری نشان داده است، رفتاری که شاید استعاره‌ای از ذهن انسان باشد: هم ثابت، هم روان.