شکل آب: یک پژوهش جدید درباره جزئیات اسرارآمیز گذارهای فازی آب
آب، همیشه یک ماده‌ی مهم، حیاتی و شگفت‌انگیز بوده است. به گفته‌ی سی آستن آنجل، شیمیدان دانشگاه ایالتی آریزونا، با وجود فراوانی بالای این ماده و اشغال بیش از سه‌چهارم سطح زمین، پژوهشگرها هنوز هم از بعضی ویژگی‌های آن شگفت‌زده می‌شوند.
آنجل، یکی از اساتید دانشکده‌ی علوم مولکولی دانشگاه آریزونا، در بخشی از کار خود به بررسی بعضی ویژگی‌های فیزیکی اسرارآمیز آب پرداخته است. آنجل و همکاران از دانشگاه آمستردام در بخش جدیدی از پژوهش‌های خود که در مجله‌ی Science (نسخه‌ی ۹ مارس) منتشر شده، برای اولین بار شاهد یکی از جذاب‌ترین خصوصیات آب بودند که پیش از این توسط نظریه‌پردازان پیش‌بینی شده بودپیش‌بینی شده بود. بر اساس این نظریه، آب تحت شرایط مشخص و انجماد بیش از حد، به شکلی ناگهانی از یک مایع به یک مایع دیگر تغییر فاز می‌دهد. مایع جدید آب با تراکم کمتر و آرایش مولکولی متفاوت است، به‌طوری که اتصال مولکولی‌های هیدروژن قوی‌تر است و همین ویژگی آن را به یک مایع چسبنده تبدیل می‌کند.
آنجل با اشاره به شکست علمی چند دهه‌ی گذشته اشاره کرد، این گذار فازی ارتباطی با پلی واتر (Poly Water) ندارد. این پدیده‌ی جدید یک گذار فازی مایع-مایع است و تاکنون تنها در شبیه‌سازی‌های کامپیوتری از مدل‌های آبی مشاهده شده است. اما بررسی این پدیده به‌صورت مستقیم در آب واقعی با یک مشکل روبه‌رو است: آب بسیار زودتر از زمان مقرر تئوری، به بلورهای یخی تبدیل می‌شود. به این پدیده، پرده‌ی کریستالی گفته می‌شود که سال‌هاست مانعی برای درک فیزیک آب و آب در زیست‌شناسی به شمار می‌رود. به‌گفته‌ی آنجل:
دامنه‌ی بین دمای کریستالی و دمای پائین‌تری که آب شیشه‌ای (با تجزیه‌ی مولکول‌های آب از بخار تشکیل می‌شود) در طول فرآیند گرمایش به حالت کریستالی تبدیل می‌شود، به اصطلاح به سرزمین بدون مرد معروف است. اخیرا توانستیم روشی برای کنار زدن پرده‌ی کریستالی پیدا کردیم تا به فرآیند پشت‌پرده‌ی آن پی ببریم.
درک گذارهای فازی آب برای یک مجموعه از کاربردها حائز اهمیت هستند. برای مثال، نوسانات مخرب جاده‌ها و مسیرهای بتنی در زمستان بر اثر گذار فازی از آب به یخ زیر بتن رخ می‌دهد. گذار فازی مایع به مایع در پروژه‌ی فعلی، ویژگی‌های مشترکی با گذار به حالت یخ دارد اما در دمای بسیار پائین‌تر یعنی حدود منفی ۹۰ درجه‌ی سانتی‌گراد و فقط تحت شرایط بسیار سرد رخ می‌دهد؛ بنابراین تا یک مدت زمان قابل پیش‌بینی، به‌عنوان یک پدیده‌ی علمی عجیب باقی خواهد ماند.
درک گذارهای فازی آب برای یک مجموعه از کاربردها از جمله زمینه‌های عمرانی حائز اهمیت هستند
آنجل توضیح می‌دهد که تقریبا چند سال پیش او و همکارش ژوفنگ ژائو به بررسی رفتار گرمایی یک نوع مشخص از محلول آبی ایده‌آل پرداختند که هدف آن باز و بسته کردن کروی بود. آن‌ها می‌خواستند توانایی این محلول‌ها را در شرایط زیر انجماد ارزیابی کنند و سپس آن‌ها را شیشه‌ای کنند. برای محدود کردن دامنه‌ی شیشه‌ای محلول و بهبود شرایط کریستالی‌شدن یخ، آب بیشتری را به آن اضافه کردند. اما به یک نتیجه‌ی دیگر رسیدند: محلول با نزدیک شدن به حالت کریستالی به‌جای (باقی گذاشتن یک محلول غیرمنجمد) توسعه‌ی گرما، درست مشابه فرآیند سردسازی محلول‌های نمکی، برای تشکیل یک فاز مایع جدید، گرما را آزاد می‌کند. این مایع جدید چسبندگی بیشتری دارد و تا اندازه‌ای هم شیشه‌ای است. علاوه بر این، انجل و ژائو با معکوس کردن جهت تغییر دما، به این نتیجه رسیدند که می‌توانند فاز جدید را قبل از کریستالی‌شدن یخ به محلول اصلی برگردانند. به‌گفته‌ی انجل:
این مشاهده که در Angewandted Chemie منتشر شد، توجه بسیاری را به خود جلب کرده است؛ اما هیچ گونه اطلاعات ساختاری برای توصیف این فرآیند ارائه نمی‌دهد. این نتیجه در بازدید انجل از دانشگاه آمستردام در حدود دو سال پیش تغییر کرد، او با ساندر وترسون متخصص اسپکتروسکوپی مادون‌قرمز ملاقات کرد که علاقه‌ی زیادی هم به ابعاد ساختاری این پدیده داشت.
تیم با همکاری وترسن و دانشجوی او میشل هیلبرس و همکارش برند انسینگ در مقاله‌ای ثابت کردند ساختارهای موجود در گذار مایع‌مایع، علائم اسپکتروسکوپی و همین‌طور الگوهای هیدروژنی مشابهی دارند که در فرآیندهای آزمایشگاهی در دو شکل شیشه‌ای شناخته‌شده از یخ مشاهده شده‌اند (فازهای جامد بلوری کم تراکم و پرتراکم آب). به‌گفته‌ی انجل:
گذار فازی مایع‌مایع به‌عنوان آنالوگ زنده‌ی (living analog) تغییر بین دو حالت شیشه‌ای آب خالص در نظر گرفته می‌شود که در ۱۹۹۴ با استفاده از فشار خالص به‌عنوان نیروی محرک گزارش شده است.
به‌گفته‌ی ووترسن، نتایج، شواهد مستقیمی مبنی بر وجود گذار مایع‌مایع بین پرده‌ی کریستالی در آب خالص را نشان می‌دهند. این یافته، توصیفی کلی برای ناهنجاری‌های ترمودینامیک آب مایع است و یک ارزیابی برای نظریه‌ی دوم نقطه‌ی بحرانی به شمار می‌رود که توسط گروه جن استنلی برای توصیفی این ناهنجاری‌ها به کار برده می‌شود. به‌گفته‌ی انجل:
این رفتار تقریبا در میان یک سلسله از مایع‌های شناخته‌شده‌ی مولکولی منحصر‌به فرد است. و تنها چند ماده‌ی معدود دیگر چنین رفتاری دارند که تا کنون ثابت نشده است.