شناسایی حالتی جدید از آب

آب یکی از اساسی‌ترین ترکیبات روی زمین است و حدود ۶۰ درصد از بدن انسان را تشکیل می‌دهد. اما هنوز هم با وجود تمام اطلاعاتی که از آب داریم، بعضی از رفتارهای این ماده‌ی حیاتی بسیار عجیب به نظر می‌رسند.

محققان حین بررسی ویژگی‌های فیزیکی آب به نکته‌ی جالبی پی برده‌اند؛ زمانی که آب تا دمایی بین ۴۰ تا ۶۰ درجه‌ی سلسیوس گرم می‌شود، به دمای گذار می‌رسد و به نظر می‌رسد که آب در این دما، بین دو حالت مختلف مایع تغییر وضعیت می‌دهد.

وجود آب به‌عنوان یک ترکیب شیمیایی برای ادامه‌ی حیات روی زمین ضروری است. دانشمندان تاکنون رفتارهای عجیبی از این ترکیب مشاهده کرده‌‌اند؛ اما وجود حالت چهارم برای آب قابل تصور نیست. ما آب را به صورت مایع، جامد و گاز می‌شناسیم؛ البته تحت شرایط نادری ممکن است آب به‌صورت پلاسما نیز درآید. باید اذعان کرد که آب شبیه هیچ ماده‌ی دیگری روی زمین نیست.

آب بعد از جیوه بیشترین میزان کشش سطحی در میان سیالات را دارد. همچنین یکی از مواد شناخته‌شده‌ای است که حالت جامد آن می‌تواند روی حالت مایع شناور شود و برخلاف بسیاری از مواد دیگر، حجم آب هنگام انقباض افزایش پیدا می‌کند.

از سویی آب نقطه‌ی جوش عجیبی نیز دارد. درحالی‌که نقطه‌ی جوش دیگر هیدرید‌ها - مانند هیدروژن تلوراید و هیدروژن سولفیت - با کاهش اندازه‌ی مولکول کاهش می‌یابد، H2O با توجه به وزن مولکولی کم آن، به نسبت، دمای جوش بالایی دارد. فیلیپ بال در مصاحبه با نیچر درباره‌ی ویژگی‌های عجیب آب گفته است:

هیچ‌کسی واقعا آب را درک نمی‌کند. اعتراف به این نکته خجالت‌آور است؛ اما ماده‌ای که دو-سوم سطح زمین را پوشانده است هنوز برای ما یک معما است. شرایط، زمانی وخیم‌تر می‌شود که هر چه در مورد آب بیشتر تحقیق می‌کنیم، سؤالاتمان نیز بیشتر می‌شود. تکنیک‌های جدید ما را قادر می‌کنند تا مطالعه عمیق‌تری روی سازه‌های مولکولی داشته باشیم و همین باعث می‌شود با سؤالات بیشتری مواجه شویم.

اکنون دانشمندان نشان‌ داده‌اند که در دمایی بین ۴۰ تا ۶۰ درجه‌ی سلسیوس (۱۰۴ تا ۱۴۰ درجه‌ی فارنهایت)، آب مایع می‌تواند تغییر حالت دهد و مطابق با وضعیتی که در آن قرار دارد؛ ویژگی‌های بسیار متفاوتی به نمایش بگذارد.

برای بررسی این موضوع؛ گروهی بین‌المللی از دانشمندان به سرپرستی فیزیکدان لارا ماسترو از دانشگاه آکسفورد، به شماری از خواص ویژه‌ی آب نگاهی داشته‌اند. آن‌ها ویژگی‌هایی مانند رسانش گرمایی، ضریب شکست، رسانایی،‌ کشش سطحی و ثابت دی‌الکتریک (چگونگی نفوذ میدان الکتریکی در یک ماده) و چگونگی واکنش آن‌ها نسبت به نوسان‌ درجه حرارت‌های میان صفر تا ۱۰۰ درجه‌ی سلسیوس را بررسی کردند.

زمانی که آب به دمای ۴۰ درجه‌ی سلسیوس می‌رسد، شرایط شروع به تغییر می‌کند و ویژگی‌های آب تا دمای ۶۰ درجه‌ی سلسیوس نسبت به دمای اتاق دچار تغییر و تحول می‌شود. هر یک از ویژگی‌های آب، دمای گذار مخصوص به خود را در این بازه‌ی دمایی دارد و محققان پیشنهاد می‌کنند که دلیل این امر، تغییر وضعیت آب بین حالت‌های مختلف است.

تیم تحقیقاتی توانسته است برخی از این دماهای گذار را شناسایی و لیست کند: دمایی در حدود ۶۴ درجه‌ی سلسیوس برای رسانش گرمایی، ۵۰ درجه‌ی سلسیوس برای ضریب شکست، ۵۷ درجه‌ی سلسیوس برای رسانایی و ۵۷ درجه‌ی سلسیوس برای کشش سطحی. تیم تحقیقاتی به یک جمع‌بندی رسیده و آن را به‌صورت زیر توضیح داده است:

نتایج ثابت می‌کنند که بین دمای ۰ تا ۱۰۰ درجه‌ی سلسیوس؛ آب مایع دماهای گذار منحصربه‌فردی برای ویژگی‌های مختلف خود در حدود دمای ۵۰ درجه‌ی سلسیوس نشان می‌دهد.

اما دلیل این امر چیست؟ هنوز به‌طور کامل دلیل این رفتار مشخص نیست؛ اما این حقیقت که آب در دماهای مشخص بین حالات مختلفی از مایع تغییر وضعیت می‌دهد، می‌تواند با ساختار مولکولی H2O و ویژگی‌های غیرعادی آن ارتباط داشته باشد. مولکول‌های آب توسط پیوند‌هایی با برد کوتاه به یکدیگر متصل شده‌اند که پیوند‌های هیدروژنی نامیده می‌شود. پیوند‌ هیدروژنی از پیوند‌های بین اتمی داخل مولکول آب بسیار ضعیف‌تر است.

به همین دلیل پیوند‌های هیدروژنی بین مولکول‌های آب دائما می‌شکنند و دوباره ایجاد می‌شوند؛ اما در میان این هیاهو، نوعی ساختار و نظم دائمی نیز حاکم است. فیزیکدانان گمان می‌برند که همین موضوع منشأ ویژگی‌ها و رفتار‌های غیرعادی آب است، با این حال هیچ‌کس نمی‌داند که دقیقا چه اتفاقی می‌افتد. فیلیپ بال در ادامه‌ی نوشتار خود در نیچر این‌چنین آورده است:

همه اتفاق نظر دارند که یک جنبه از ساختار مولکول آب باعث استثنایی بودن آن در میان دیگر مایعات شده است: پیوند‌های هیدروژنی فرار. این پیوند‌های سست که عامل ارتباط مولکول‌های آب با یکدیگر هستند؛ در دماهای بالاتر از نقطه‌ی ذوب دائما در حال شکستن و تشکیل یافتن هستند و در ساختار مولکولی درهم آب نقش دارند. همین جا است که اتفاق‌نظر دانشمندان اتمام می‌یابد.

البته قبل از اینکه در محتوای کتاب‌های درسی در مورد حالت‌های آب تجدید نظر شود تا احتمال وجود این حالت چهارم (شاید هم سه و نیم) را در آن‌ها مطرح کنند، ابتدا باید نتایج این آزمایش توسط یک گروه مستقل دیگر تکرار شود. با این حال، ماسترو و تیم او عقیده دارند که کشف آن‌ها مفاهیم جدیدی را به حوزه‌های نانو و سیستم‌های بیولوژیکی معرفی می‌کند. آن‌ها در مقاله‌ای که نتایج تحقیقات خود را در آن منتشر کرده‌اند، اظهار داشته‌اند:

برای مثال، ویژگی‌های بصری نانو‌ذرات متالیک (از جنس طلا و نقره) پخش‌شده در آب که به‌عنوان نانو‌پروب استفاده می‌شوند و همچنین ویژگی‌های تابشی نقاط کوانتومی که برای عکس‌برداری زیستی فلوئورسانسی و تومور تارگتینگ (tumour targeting) استفاده می‌شود، همگی در این بازه‌ی زمانی تنها به یک صورت رفتار می‌کنند. در کنار همه‌ی موارد فوق؛ شاید این سؤال نیز پیش آید که آیا تغییر ساختار آب در اثر تغییرات دما بر ماکرو‌-مولکول‌های بیولوژیکی در محلول‌های آبی تأثیر دارد یا خیر و به‌خصوص در مورد پروتئین‌ها هم شاید سؤال شود که کدام‌یک از واحدهای زیستی فعال موجود در سلول‌های زنده نقش حیاتی در آن‌ها ایفا می‌کنند.

دستاوردهای این تحقیق در International Journal of Nanotechnology به انتشار رسیده است.