کشفی شگفت‌انگیز از آب؛ مایعی محصور که همزمان یخ‌زده و سیال است!

آب، با اینکه یکی از آشناترین مواد روی زمین است، هنوز هم رازهایی دارد که دانشمندان در تلاش برای کشف آن‌ها هستند. وقتی آب در فضاهای فوق‌العاده کوچک مانند پروتئین‌ها، مواد معدنی یا نانومواد مصنوعی محبوس می‌شود، رفتاری کاملاً متفاوت از حالت مایع عادی خود نشان می‌دهد.

این تأثیرات ناشی از محدودیت، در طبیعت و فناوری بسیار حیاتی هستند. آن‌ها جریان یون‌ها از طریق غشای سلولی را تنظیم می‌کنند و عملکرد سیستم‌های نانوسیال را تعیین می‌کنند.

درک نحوه رفتار آب در این مقیاس می‌تواند راه را برای نوآوری‌های زیستی و مواد جدید هموار کند.

یکی از فازهای بسیار جذاب آب محصور، “حالت پیش‌ذوب” نام دارد. در این وضعیت غیرمعمول، به نظر می‌رسد آب به‌طور همزمان بین انجماد و ذوب شدن در نوسان است و نمی‌توان آن را به عنوان یک مایع یا جامد طبقه‌بندی کرد.

مشاهده مستقیم با تکنیک پیشرفته

با این حال، مطالعه این حالت همیشه بسیار دشوار بوده است، زیرا تکنیک‌های سنتی اغلب نمی‌توانند حرکات سریع اتم‌های هیدروژن در مولکول‌های آب را تشخیص دهند.

اکنون، یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه علوم توکیو، به سرپرستی پروفسور ماکوتو تادوکورو و با همکاری لکتور فومیا کوبایاشی و دانشجوی دکتری تومویا نامیکی، به یک موفقیت بزرگ دست یافته‌اند.

مطالعه آن‌ها گزارش می‌دهد که با استفاده از طیف‌سنجی پیشرفته تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR)، حالت پیش‌ذوب به‌طور مستقیم مشاهده شده است.

ساختار لایه‌ای در بلورهای مایع

برای انجام این آزمایش‌ها، تیم بلورهای میله‌ای شش‌ضلعی با کانال‌هایی به عرض حدود 1.6 نانومتر ایجاد کردند. سپس این نانوحفره‌ها را با آب سنگین (D₂O) پر کردند.

با اندازه‌گیری طیف‌های NMR در دمای اتاق، آن‌ها ساختار سه‌لایه‌ای از مولکول‌های آب محصور را شناسایی کردند که هر لایه حرکات و برهم‌کنش‌های پیوند هیدروژنی متفاوتی از خود نشان می‌داد.

داده‌ها نشان دادند که آب در داخل نانوحفره‌ها به ساختاری متفاوت از یخ معمولی منجمد می‌شود. نکته مهم اینکه، ذوب شدن از طریق یک آرایش پیوند هیدروژنی تغییرشکل‌یافته آغاز می‌شود و به حالت پیش‌ذوب منجر می‌گردد.

برای مطالعه این فاز جدید، تیم به تدریج بلور را از حالت یخ‌زده به مایع گرم کردند. این کار به آن‌ها امکان داد تا این انتقال را ردیابی کرده و وجود دو حالت به ظاهر متناقض را تأیید کنند.

پروفسور تادوکورو توضیح می‌دهد:

حالت پیش‌ذوب شامل ذوب شدن مولکول‌های H₂O با پیوندهای هیدروژنی ناقص است، پیش از آنکه ساختار یخ کاملاً منجمد شده در طی فرآیند گرمایش شروع به ذوب شدن کند. این حالت اساساً یک فاز جدید از آب را تشکیل می‌دهد که در آن لایه‌های H₂O یخ‌زده و مولکول‌های H₂O با حرکت آهسته به طور همزمان وجود دارند.

یخ‌زده اما با حرکت سریع

محققان همچنین تحرک چرخشی مولکول‌های آب سنگین را در این فاز اندازه‌گیری کردند. آن‌ها دریافتند که با وجود تفاوت انرژی فعال‌سازی با یخ معمولی، زمان همبستگی (correlation time) نزدیک به آب مایع معمولی است. به زبان ساده، مولکول‌ها در موقعیت‌های شبه‌جامد قفل شده بودند، اما با سرعتی شبیه به مایع می‌چرخیدند!

این یافته‌ها بینش‌های حیاتی در مورد رفتار ساختاری و دینامیکی آب محصور ارائه می‌دهند. فراتر از زیست‌شناسی، این کشف می‌تواند فناوری‌های آینده را شکل دهد.

پروفسور تادوکورو می‌گوید:

با ایجاد ساختارهای شبکه یخی جدید، ممکن است بتوان گازهای پرانرژی مانند هیدروژن و متان را ذخیره کرد و مواد مبتنی بر آب مانند هیدرات‌های گازی مصنوعی را توسعه داد.

چنین کنترلی بر خواص انجماد و ذوب آب می‌تواند به تولید مواد ایمن‌تر و کارآمدتر منجر شود و به‌طور بالقوه ذخیره‌سازی انرژی و فناوری نانو را متحول سازد.

در نهایت، این مطالعه نشان می‌دهد که حتی آشناترین ماده جهان نیز همچنان دانشمندان را شگفت‌زده می‌کند. آب، با وجود آشنایی ما، هنوز فازها و رفتارهایی را پنهان کرده است که منتظر کشف شدن هستند.

یافته‌های این تحقیق در “Journal of the American Chemical Society” منتشر شده است.

منبع: Interestingengineering