آب، فراوان‌ترين مايع و به جرات مهم‌ترين مايعي است که روي زمين وجود دارد؛ اما اهميت آن به پديده‌هاي زيستي منحصر نمي‌شود. ويژگي‌هاي فيزيکي آب در مقايسه با ديگر مواد روي زمين، بي‌نظير است. ما با معما‌هاي زيادي مواجه هستيم، از طبيعت ماده تاريک و سر منشاء جهان گرفته، تا تحقيق براي نظريه همه‌چيز. اينها همه معماهايي در مقياس بزرگ هستند، اما شما مي‌توانيد معماي ديگري را از جهان فيزيکي مشاهده کنيد که از آشپزخانه شما مي‌آيد (و اگر همان‌قدر بزرگ نباشد، به همان اندازه گيج‌کننده باشد). فقط يک ليوان را از آب سرد پر کنيد، يک قالب يخ در آن بياندازيد و صبر کنيد تا آب از تلاطم بيفتد.
اين واقعيت که يخ شناور مي‌شود، اولين مورد عجيب اين ماده است. زماني معما عميق‌تر مي‌شود که با استفاده از يک دماسنج دماي آب را در اعماق مختلف اندازه بگيريد. در بالا و در نزديک قالب يخ، مي‌بينيد که دماي آب نزديک به صفر درجه است، اما در انتهاي ليوان دما به 4 درجه مي‌رسد. دليل آن اين است که چگالي آب در دماي 4 درجه سلسيوس، از هر دماي ديگري بيشتر است (يک ويژگي عجيب ديگر که آن را از هر مايع ديگري متمايز مي‌سازد).
به گزارش نيوساينتيست، خواص عجيب آب همچنان ادامه دارد و برخي از آنها براي زندگي حياتي هستند. به دليل اينکه چگالي يخ از آب کمتر است و چگالي آب در نقطه انجماد کمتر از زماني است که آب تا چهار درجه گرم‌تر باشد، آب نسبت به ته ليوان، از بالا به پايين منجمد مي‌شود. بنابراين حتي در طول عصر يخ بندان، زندگي در اعماق درياها و اقيانوس‌ها همچنان ادامه داشت. آب ظرفيت خارق‌العاده‌اي براي گرفتن گرما دارد و اين به ملايم‌تر کردن تغييرات آب‌و هوايي کمک ميکند، که در غير اين صورت مي‌تواند اکوسيستم‌ها را نابود کند.
با اين حال، به رغم اهميت بسيار زياد آب براي حيات، هيچ نظريه واحدي دست کم تا کنون نتوانسته يک توضيح قابل قبول براي خصوصيات اسرارآميز آن ارائه کند. اگر ما بتوانيم نظريات اندرس نيلسون از فيزيکدانان دانشگاه استنفورد کاليفرنيا، و لارس پترسون از دانشگاه استکهلم سوئد، و همکاران اين دو را بپذيريم؛ بالاخره توانسته‌ايم به دليل واقعي خيلي از اين خصوصيات غير عادي پي ببريم.
نظريات جنجالي اين دو، بسط دهندهنظريه‌اي است که بيش از يک قرن پيش از اين توسط ويلهلم رونتگن، کاشف اشعه ايکس، ارائه شده است. او ادعا کرده بود که مولکول‌ها در آب مايع آن گونه که در کتاب‌هاي امروزي مي‌بينيم، تنها از يک طريق به هم نپيوسته‌اند، بلکه اين اتصال از دو مسير کاملا متفاوت انجام مي‌شود.
ساختار اسرارآميز آب :
کليد فهم اسرار آب، نحوه تعامل مولکول‌هاي آن با همديگر است، مولکول‌هايي که از يک اتم اکسيژن و دو اتم هيدروژن تشکيل شده‌اند. اتم اکسيژن بار منفي ناچيزي دارد و اتم‌هاي هيدروژن، در مجموع بار مثبتي معادل آن دارند. به همين ترتيب، اتم‌هاي هيدروژن و اکسيژن مولکول‌هاي همسايه، از طريق تشکيل پيوندي به نام پيوند هيدروژني به همديگر جذب مي‌شوند.
پيوندهاي هيدروژني، خيلي ضعيف‌تر از پيوندهايي هستند که اتم‌ها را در مولکول‌ها در کنار هم قرار مي‌دهند، و به همين دليل همواره در حال گسيختن و بازپيوستن هستند. اين پيوندها هنگامي به حداکثر قدرت خود مي‌رسند که مولکول‌ها به نحوي کنار هم قرار گرفته باشند که هر پيوند هيدوژني در امتداد يک پويند مولکولي قرار بگيرد. شکل يک مولکول آب به نحوي است که هر مولکول H2O در ميان چهار مولکول همسايه قرار مي‌گيرد و يک هرم با قاعده مثلثي را تشکيل مي‌دهد، که معمولا به نام تتراهدرون يا چهارسطحي شناخته مي‌شود.
دست کم، اين راهي است که مولکول‌ها در يخ در کنار هم قرار مي‌گيرند. از يک ديدگاه متعارف سنتي، آب مايع يک ساختار مشابه ولي کمتر صلب دارد، که در آن مولکول‌هاي بيشتري مي‌توانند در برخي از فضاهاي خالي در يک آرايش چهار سطحي قرار بگيرند. اين امر توضيح مي‌دهد که چرا آب مايع از يخ چگال‌تر است، و به نظر مي‌رسد که با نتايج آزمايش‌هاي گوناگون که در آنها پرتوهاي ايکس، فرو سرخ و نوترون‌ها، از نمونه‌هاي آب منعکس مي‌شوند همخواني داشته باشد.
برخي از فيزيکدان‌ها ادعا کرده‌اند که آبي که تحت شرايط به خصوصي قرار گرفته باشد، به دو ساختار کاملا متفاوت تجزيه مي‌شود. ولي اکثر آنها چنين فرض مي‌کنند که در شرايط عادي، تنها يک ساختار وجود دارد.
اما ده سال قبل، يک کشف اتفاقي توسط پترسون و نيلسون، اين تصوير را به چالش کشيد. آنها در حال استفاده از طيف‌سنجي جذبي اشعه ايکس براي تحقيق در مورد آمينو اسيد گليسين بودند. نقاط پيک در طيف جذبي اشعه ايکس مي‌تواند ماهيت دقيق اتصالات شيميايي ماده هدف را مشخص کنند، و همچنين به تعيين ساختار آن کمک کنند. نکته مهم اين بود که آن دو از يک منبع جديد قدرت‌مند اشعه ايکس استفاده مي‌کردند که مي‌توانستند با استفاده از آن، اندازه‌گيري‌هاي حساس‌تر و دقيق‌تري را نسبت به آن چه تا پيش از اين ممکن بود انجام دهند. آنها به زودي دريافتند که آبي که حاوي نمونه گليسين بود، طيف خيلي جالب‌تري به نسبت خود آمينو اسيد توليد مي‌کرد. نيلسون مي‌گويد: "آن‌چه ما ديديم بسيار شورانگيز بود، بنابراين ما احساس کرديم که بايد به کنه آن پي ببريم".
مفاهيم مهيج
ويژگي که توجه آنها را جلب کرد يک نقطه پيک در طيف جذبي بود که توسط مدل‌هاي سنتي آب مايع پيش‌بيني نشده بود. در حقيقت، در مقاله‌اي که آنها در سال 2004 منتشر کردند چنين نتيجه گرفتند که در هر لحظه، 85 درصد از پيوندهاي هيدروژني در آب، بايد تضعيف و يا شکسته شده باشند. اين مقدار خيلي بيشتر از 10 درصدي است که توسط مدل‌هاي کتب درسي پيش‌بيني شده است.
مفاهيم اين يافته بسيار جالب توجه هستند: اين به معني آن است که يک بازنگري کامل در ساختار آب مورد نياز است. در نتيجه نيلسون و پترسون شروع به انجام آزمايش‌هاي ديگري با پرتو ايکس براي اثبات ادعاي خود کردند. اولين حرکت آنها استقبال از کمک شيک شين از دانشگاه توکيو در ژاپن بود. وي متخصص تکنيکي است که "طيف‌سنجي نشري اشعه ايکس" نام دارد. نکته کليدي در مورد اين طيف‌سنجي اين است که در طيف نشري يک ماده، هر چه طول‌موج اشعه ايکس کوتاه‌تر باشد، پيوند هيدروژني بايد ضعيف‌تر باشد.
نتيجه عالي بود: طيف اشعه ايکس نشري، شامل دو نقطه پيک بود که ممکن بود ناشي از دو ساختار جداگانه باشند. اعضاي گروه چنين استدلال کردند که پيک مربوط به اشعه‌هاي ايکس با طول‌موج بلندتر، نشان دهنده سهم مولکول‌هايي است که به صورت چهار سطحي آرايش يافته‌اند، در حالي که پيک طول‌موج کوتاه‌تر، بازتاب دهنده سهم مولکول‌هايي است که ساختار متفاوتي دارند.
جالب اينجا بود که پيک طول‌موج کوتاه‌تر در نشر اشعه ايکس شديدتر از ديگري بود. اين بدان معني است که مولکول‌هاي با پيوند ضعيف‌تر در آن نمونه، شايع‌تر بودند؛ و اين خود تاييدي بر ادعاي پيشين اعضاي گروه بود. علاوه بر آن، آنها همچنين دريافتند که هر چه آب گرم‌تر باشد، اين پيک به طول‌موجهاي کوتاه‌تري منتقل مي‌شود؛ در حالي که پيک ديگر، کمابيش ثابت باقي مي‌ماند.
اين بدان معني است که پيوندهاي هيدروژني اتصال دهنده مولکول‌هاي موجود در اين ساختار متفاوت، در اثر گرما بيشتر تضعيف مي‌شوند؛ که باز هم با پيشبينيهاي گروه مطابقت داشت. آنها سپس داده‌هاي تجربي قديمي‌تر را، که به نظر مي‌رسيد که با شکل سنتي آب مطابقت دارد، دوباره بررسي کردند و اکنون ادعا مي‌کنند که اين نتايج نيز با مدل جديد مطابقت دارد.
اگر آنها درست بگويند سوال ديگري مطرح مي‌شود: تفاوت‌ها در ساختارهاي مختلف در مايع تا چه اندازه است؟ براي يافتن پاسخ، آنها از يک اشعه ايکس پرتوان استفاده کردند که در منبع نور تابشي سينکرترون دانشگاه استنفورد در کاليفرنيا توليد شده بود. اين بار، چگونگي پراکندن پرتوهاي ورودي از زاويه‌هاي مختلف به سطح آب، مورد ارزيابي واقع شدند. به گفته آنها، نتايج آشکار ميکند که آب پوشيده از نواحي کوچکي از مولکول‌هايي است که به صورت چهار سطحي آرايش يافته‌اند، و هر طول هر ناحيه نيز بين 1 تا 2 نانومتر است..
با ترکيب اي يافته‌ها با اندازه‌گيري‌هاي ديگري که توسط اووه برگمن در دانشگاه استانفورد انجام شده‌بود، آنها نتيجه گرفتند که ساختارهاي منظم، که هر يک به طور متوسط شامل50 تا 100 مولکول هستند، توسط دريايي از پيوندهاي مولکولي ضعيف احاطه شده‌اند. ولي اين نواحي ثابت نيستند. در کمتر از يک تريليونيوم ثانيه، مولکول‌هاي آب بين دو حالت گسست و باز توليد پيوندهاي هيدروژني نوسان مي‌کنند.
توضيح غير قابل توضيح!
توازن متغير بين دو نوع آب که توسط نيلسون و پترسون مطرح شده بود، مي‌تواند توضيحي باشد بر اينکه چرا آب در دماي 4 درجه به بيشترين چگالي خود مي‌رسد. در نواحي آشفته مولکول‌هاي آب به هم نزديک‌‌تر هستند که اين خود باعث چگال‌تر شدن آب نسبت به نواحي مي‌شود که مولکول‌هاي آب در ساختار چهار سطحي منظم آرايش داده شده‌اند. در دماي صفر درجه نواحي آشفته نسبتا کمياب هستند اما زماني که آب گرم‌تر مي‌شود، انرژي گرمايي اضافي تمايل بيشتري به لرزاندن و جدا کردن ساختارهاي منظم‌تر مي‌يابد. بنابراين مولکول‌ها زمان کمتري را در ساختارهاي منظم چهار سطحي و مدت زمان بيشتري را در نواحي آشفته سپري مي‌کنند، امري که در مجموع باعث بيشتر شدن چگالي مي‌شود.
از سوي ديگر، زماني‌که دما افزايش مي‌يابد، حرکت مولکول‌هاي با پيوند ضعيف‌تر بيشتر خواهد شد و همين مسئله به‌تدريج آنها را وا مي‌دارد که از هم دورتر شوند. اين بسط که يک بار به توضيح دليل چگالي بيشينه آب در دماي چهار درجه سلسيوس بالاي صفر کمک کرده بود، اين بار نيز به توضيح دليل کاهش چگالي و افزايش حجم آب با افزايش بيشتر دماي آن کمک ميکند.
به عقيده پترسون، اين نظريه توضيحات کاملي را براي بسياري از خواص غيرطبيعي غير قابل توجيه ديگر آب ارائه ميکند. مواردي که به ادعاي آن دو، ديگر نظريه‌ها هنوز نتوانسته‌اند به آن دست يابند. مارتين چاپلين، که يک شيمي‌دان در دانشگاه ساوث بنک لندن است، با اين نظريه موافق است. توضيحاتي که بر مبناي سيستم تک مولفه‌اي متعارف بودند، مجبور بودند زماني که دماي آب تغيير ميکند تلاش زيادي بکنند تا بتوانند ويژگي‌هاي متعدد آب از قبيل کمينه و بيشينه را با نظريه خود سازگار کنند. چاپلين مي‌گويد: "ساختار دوگانه کاملا با آزمايش‌ها همخواني دارد و مي‌تواند خصوصيات غير عادي آب را خيلي ساده‌تر از مدل‌هاي سنتي توضيح دهد".
به مقاله سال 2004 نيلسون و پترسون در مجله ساينس تا کنون بيش از 350 بار و توسط محققين ديگر، ارجاع شده است. با اين حال، هنوز خيلي‌ها بدبين هستند. يک بدبيني اين است که توضيح گروه در مورد نتايج طيف‌سنجي اشعه ايکس، بر مبناي شبيه سازي دست کم 50 مولکول آب در حال تعامل با هم است. يک مدل بينهايت پيچيده که تنها مي‌تواند به طور تقريبي حل شود. ريچارد سايکالي از دانشگاه برکلي کاليفرنيا مي‌گويد: "ما نياز به يک نظريه خيلي دقيق‌تر داريم تا بتوانيم چنين ادعاي بزرگي را بپذيريم". او ادعا ميکند که تنظيمات کوچک براي آرايش پيوندهاي هيدروژني در ساختارهاي متعارف، براي توضيح نتايج اشعه ايکس پترسون و نيلسون کفايت مي‌کنند. حتي يکي از اعضاي گروه آنها، مايکل اوبليوس از دانشگاه استکهلم، همکاري خود را با آنها قطع کرد چرا که با تفسير آنها از داده‌هاي نشر اشعه ايکس موافق نبود.
يک نکته جزئي که خيلي از افراد را به اين نظريه بدبين کرده بود، يک ادعا در مقاله سال 2004 بود که مولکول‌هايي که پيوند ضعيف‌تري دارند، تشکيل حلقه و زنجيره مي‌دهند؛ و در واقع نيلسون و همکارانش نيز اکنون کمتر در مورد جزئيات ساختار مولکولي نامنظم اظهار نظر مي‌کنند. ولي يوجين استنلي ازدانشگاه بوستون، باور ندارد که اين امر کاملا نظريه آنها را زير سوال مي‌برد: وي مي‌گويد: "من فکر نمي‌کنم که آنها بايد تا ابد محکوم شوند". به رغم اين که نظريه آنها هنوز جاي کار دارد، ولي به گفته او، نتايج پراکنش اشعه ايکس شواهدي بر تاييد نظريه آنها ارائه ميکند.
هيچ شکي نيست که هنوز نيلسون و پترسون با مخالفت‌هاي شديدي مواجه خواهند بود، ولي پاداش‌‌هاي يک درک فراگير از ساختار آب مايع مي‌تواند شايان توجه باشد. اين درک مي‌تواند منجر به درک بهتر از مواردي مانند چگونگي برهم‌کنش پروتئين‌ها و داروها با مولکول‌هاي آب در بدن، و در نتيجه توليد داروهاي موثرتري گردد. با دادن يک ايده بهتر از چگونگي رفتار مولکول‌هاي آب در اطراف منافذ ريز ما، مي‌تواند به تلاش‌ها براي نمک زدايي و تصفيه آب کمک کند و سطح دسترسي به آب تميز را بيشتر کند.
پترسون مي‌گويد: "درک ما از آب يک تصوير در حال تکامل است. پيش از تکميل اين تصوير، تحقيقات بيشتري بايد توسط گروه‌هاي مختلف انجام شود". چه کسي مي‌تواند با اين حرف مخالفت کند؟
ارسال توسط کاربر محترم سايت : vaziry14 /ج