طراحی روشی جدید برای جلوگیری از یخ زدن آب

یخ طبیعتی پیچیده دارد. درحالی‌که ما فقط با یک نوع از آن در تماس قرار گرفته‌ایم، دانشمندان از وجود حدود ۲۰ نوع ملکولی مختلف آن آگاهی دارند. برخی از آن‌ها چنان اسرارآمیز و نادر هستند که تنها درون شبیه‌سازی‌های کامپیوتری یا در اعماق سیاره‌های دور وجود دارند. اما فقط به‌خاطر اینکه آب می‌تواند از روش‌های بسیار مختلفی به حالت جامد تبدیل شود، نمی‌توان گفت یخ زدن آن حتمی و غیرقابل اجتناب است.

در آزمایشی جدید، دانشمندان توانستند آبی ایجاد کنند که ظاهرا هیچ‌گاه به یخ تبدیل نمی‌شود، حتی وقتی در دماهای نزدیک صفر مطلق قرار می‌گیرد. روش‌های مختلفی برای ایجاد این آب به اصطلاح «انجماد‌ناپذیر» وجود دارد اما دانشمندان به‌طور پیوسته روش‌های جدیدی برای آزمایش محدودیت‌های این تکنیک‌ها پیدا می‌کنند. برخی از آن‌ها شامل مطالعه‌ی چیزی است که با عنوان یخ آمورف (بدون شکل) شناخته می‌شود؛ یک شکل غیرمتبلور ولی جامد از آب که هیچ‌گاه یخ نمی‌زند؛ زیرا در وضعیتی قرار دارد که مولکول‌های آن نمی‌توانند متبلور شوند.

در سال گذشته، دانشمندان کشور سوئد موفق شدند بدون تشکیل یخ، دمای آب مایع را به حدود ۴۵- درجه‌ی سانتیگراد برسانند؛ اما به‌تازگی، پژوهشگران سوئیسی از این هم فراتر رفتند. پژوهشگران دانشگاه ETH زوریخ و دانشگاه زوریخ با استفاده از فرم نانومحدودی از ملکول‌های آب و به کمک غشاهای سنتزی لیپیدی، توانستند بدون اینکه آب منجمد شود، دمای آن را به ۲۶۳- درجه‌ی سانتیگراد یعنی درست ۱۰ درجه بالاتر از صفر مطلق برسانند. نویسندگان در مقاله‌ی خود توضیح می‌دهند:

محدودیت فیزیکی آب در مقیاس نانو می‌تواند نقش مهمی در کنترل ویژگی‌های آن داشته باشد. به‌خصوص، محدود شدن در دامنه‌ی نانومتر می‌تواند از آرایش ملکول‌های آب به شکل ساختار یخ جلوگیری کند و بنابراین از متبلور شدن آن در دماهای زیر صفر ممانعت به عمل آورد و حالتی از آب غیرمتبلور ایجاد کند.

برای به دام انداختن ملکول‌های آب، پژوهشگران ساختار جدیدی از ملکول‌های چربی را به نام «مزوفاز لیپیدی» تولید کردند.

مدل سه‌بعدی مزوفاز لیپیدی

در این ساختار، ملکول‌های چربی چنان در هم می‌آمیزند که یک شبکه‌ی بی‌نهایت نازک از مجاری متصل به هم تشکیل می‌شود که هر کدام از آن‌ها قطری کمتر از یک نانومتر دارد. وقتی مولکول‌های آب در این مجاری ریز به دام می‌افتند، به شکل مایع می‌مانند و این فضا چنان محدود است که در سطح مولکولی امکان تشکیل یخ وجود ندارد، حتی وقتی مزوفاز لیپیدی با استفاده از هلیوم مایع سرد شود و دمای آن به حدود ۱۰ درجه‌ی کلوین (۲۶۳- درجه سانتی‌گراد) برسد. پژوهشگران می‌گویند علت این شاهکار نانومحدود، تغییرات ملکولی درون ساختار اتمی ماده‌ی چربی است که موجب آرایش مجدد بخش‌های آب‌دوست و آب‌گریز مزوفاز می‌شود. ایهود لاندائو از دانشگاه زوریخ می‌گوید:

وجه تمایز ساختار لیپیدی ما، وارد کردن حلقه‌های سه‌غشایی بسیار فشرده در موقعیت‌های خاص درون بخش‌های آب‌گریز ملکول‌ها است. این امر موجب می‌شود خمیدگی‌های لازم برای تشکیل مجاری ریز آب فراهم شود و از متبلور شدن لیپیدها نیز ممانعت شود.

غشایی منشعبی که آب را محبوس می‌کند به رنگ آبی دیده می‌شود

درحالی‌که در این دماهای بسیار پایین آب متبلور نمی‌شود، آب یک حالت شیشه‌مانند پیدا می‌کند؛ حالتی از ماده که جامد است ولی یخ نیست. باتوجه‌به اینکه بلورهای یخ هرگز تشکیل نمی‌شوند، پژوهشگران می‌گویند که غشاهای مزوفاز لیپیدی می‌توانند روزی به دانشمندان کمک کنند تا بتوانند مواد پروتئینی را بدون اینکه به آن‌ها آسیبی وارد شود و به شکل طبیعی خود در دماهای پایین نگه‌داری کنند یا به ما کمک می‌کند راه‌هایی را برای جلوگیری از یخ زدن آب پیدا کنیم. رافائل مزنگا از دانشگاه ETH می‌گوید:

هدف ما کاربردهای عجیب‌و‌غریب نبوده است. تمرکز اصلی ما این بود که ابزاری جدید برای تسهیل مطالعه‌ی ساختارهای ملکولی در دماهای پایین بدون حضور بلورهای مداخله‌کننده‌ی یخ توسعه دهیم و نیز به درک این موضوع کمک کنیم که چگونه دو مولفه‌ی اصلی حیات یعنی آب و چربی در شرایط شدید دمایی و محدودیت‌های هندسی با هم تعامل برقرار می‌کنند.