گروهی از دانشمندان در ژاپن بهتازگی نشان دادهاند که وقتی مولکولهای آب در فضای بسیار محدودی قرار میگیرند، میتوانند بهطور همزمان مانند یک جامد و یک مایع رفتار کنند.
تفاوتهایی که ما در مقیاس کلان بین آب مایع و یخ تجربه میکنیم، در سطح میکروسکوپی آغاز میشوند. در حالت یخ، مولکولهای آب در ساختارهایی منظم و سخت قفل میشوند، در حالیکه در آب مایع، مولکولها آزادانه حرکت میکنند و پیوسته پیوندهای هیدروژنی میان خود را میسازند و میشکنند.
در حالت خاصی که در این پژوهش جدید توصیف شده است، مولکولها رفتاری دوگانه دارند؛ از یک سو مانند یخ در جای خود ثابت میمانند، و از سوی دیگر، همانند مایع با سرعت زیاد میچرخند. این حالت که «پیشذوب» (Premelting State) نام دارد، تاکنون از دید بررسی مستقیم علمی گریخته بود.
دکتر «ماکوتو تادوکورو»، شیمیدان دانشگاه علوم توکیو، توضیح میدهد:
«در حالت پیشذوب، بخشی از مولکولهای H₂O که پیوندهای هیدروژنی آنها بهطور کامل شکل نگرفته، پیش از آنکه ساختار منجمد یخ در فرآیند گرم شدن شروع به ذوب شدن کند، خود بهصورت جزئی ذوب میشوند.»
او میافزاید:
«در واقع، این حالت فازی نو از آب است که در آن، لایههایی از مولکولهای یخزده در کنار لایههایی از مولکولهای کندحرکت آب مایع بهطور همزمان وجود دارند.»
مشاهدهی این وضعیت عجیب به آزمایشی بسیار پیچیده نیاز داشت. نخست آنکه، آبی که در این آزمایش استفاده شد، همان آب معمولی روزمره نبود؛ بلکه نوعی «آب سنگین» (D₂O) بود که در آن، اتمهای هیدروژن با ایزوتوپی به نام دوتریوم جایگزین شدهاند. دوتریوم برخلاف هیدروژن معمولی، در هستهی خود یک نوترون اضافی دارد.
سپس این آب سنگین در محیطی بسیار تنگ و محدود قرار داده شد؛ محیطی که تنها ۱٫۶ نانومتر پهنا داشت و دارای کانالهای آبدوست (هیدروفیلیک) بسیار باریکی بود. پژوهشگران با استفاده از بلورهایی میلهایشکل که این کانالها را در خود داشتند، آب سنگین را درون آنها منجمد کردند و سپس بهآرامی گرم کردند تا فرآیند ذوب آغاز شود.
راست: خوشههای مولکولهای آب در حالت پیشذوب که ترکیبی از مولکولهای آب و یخ را نشان میدهد.
(ماکوتو تادوکورو / دانشگاه علوم توکیو، ژاپن)
برای مشاهدهی دقیق تغییرات مولکولی، از روش طیفسنجی رزونانس مغناطیسی هستهای حالت جامد دوتریوم (Deuterium Solid-State NMR Spectroscopy) استفاده شد. دادههای بهدستآمده نشان داد که مولکولهای آب در این حالت، ساختاری سلسلهمراتبی و سهلایه تشکیل میدهند؛ بهگونهای که در هر لایه، نوع حرکت و برهمکنش مولکولها متفاوت است.
این حالت پیشذوب، شاید برای ما ناآشنا به نظر برسد، اما در واقع همان لایهی نازک آب است که روی سطح یخ حتی در دمای زیر صفر تشکیل میشود. با این حال، در حالت یخ معمولی این پدیده بهگونهای متفاوت رخ میدهد نسبت به زمانی که آب در فضای بسیار محدود و نانومقیاس قرار میگیرد.
دانشمندان پیشتر نیز دریافته بودند که آب در مقیاس نانو رفتارهایی عجیب از خود نشان میدهد. برای مثال، در این شرایط ویژگیهای الکتریکی آن تغییر میکند؛ گاهی میتواند حتی در دماهای نزدیک به صفر مطلق، از یخزدن جلوگیری کند، یا برعکس، در دماهایی که انتظار میرود بجوشد، بهطور کامل منجمد شود.
این ویژگیهای عجیب، نه تنها از دید علمی جالباند، بلکه کاربردهای عملی فراوانی نیز میتوانند داشته باشند. به گفتهی تادوکورو:
«با ایجاد شبکههای جدید یخ، شاید بتوان گازهای پرانرژی مانند هیدروژن و متان را در ساختارهای یخی ذخیره کرد و مواد نوینی بر پایهی آب، مانند هیدراتهای مصنوعی گازی، توسعه داد.»
این پژوهش در مجلهی معتبر Journal of the American Chemical Society منتشر شده است و میتواند نگاه ما را به رفتار آب در شرایط نانومقیاس دگرگون کند.
آب، این مادهی ظاهراً ساده و بیادعا، هنوز اسرار فراوانی در دل خود دارد. از جملهی این اسرار، توانایی آن در گذر از مرزهای آشنا میان جامد و مایع است. حالا با کشف حالت پیشذوب، یک گام دیگر به درک عمیقتر از ماهیت این مادهی حیاتی نزدیکتر شدهایم. این یافته نه تنها فهم ما از فیزیک آب را گسترش میدهد، بلکه در آینده میتواند در زمینههایی چون فناوریهای ذخیرهسازی انرژی، طراحی مواد هوشمند و حتی پژوهشهای زیستمحیطی نقشی مهم ایفا کند.
به این ترتیب، آنچه در ظاهر قطرهای ساده از آب به نظر میرسد، در واقع دنیایی پیچیده از ساختارهای پنهان و رفتارهای شگفتانگیز را در خود نهفته دارد؛ دنیایی که با هر کشف تازه، ما را بیش از پیش متحیر میکند.