مقدمه

دو نوع آب جديد کشف شده است، که به نظر مي رسد بدون وجود آنها زندگي ادامه نخواهد يافت. اگر فکرمي کنيد شار هوا در محيط زندگي شما بالاست، تصور نماييد که زندگي در گودال ماريان، يعني يازده کيلومتر زير سطح اقيانوس آرام و عميق ترين نقطه روي کره زين، چگونه است. چنين محيطي دنياي سکوت و تاريي بي انتهاست و فشار در حد خرد کننده هزار اتمسفر است. اين مقدار برابر با فشاري است که سوني از آب دريا به وزن ده هزار تن بر هر متر مربع از کف درزيا وارد مي سازد.
مسلما در چنين اوضاعي زندگي بسيار دشوار است، تا حدي که برخي از فيزيکدانان معتقدند حفظ ترکيب آب نيز در چنين اوضاعي مشکل است. دانشمندان اظهار مي دارند که اگر بتوان آب را تحت چنيني فشاري قرار داد، و آن را در ين سرد شدن تا چندين درجه زير نقطه انجماد به حالت مايع نگاه دات، آب به دو نوع مايع کاملا مجزا از يکديگر تبديل خواهد شد. يکي از اين مايعات در حدود 20 درصد چگالتر از آب معمولي است و چگالي ديگري در مقايسه با آب معمولي، 10 درصد کمتر است. در چنين وضعيت غيزر معمولي به جاي يک نوع آب، دو نوع آب خواهمي داشت.
آب، مايع بيار عجيبي است و برخلاف بيشتر مايعات پس از انجماد حجم آن افزايش مي يايد که اين حالت اصلي شناور ماندن کوههاي يخي روي آب و يا ترکيدن لوله هاي يخ زده است. عجيب تر آنکه آب قبل از آنکه به نقطه انجماد برسد شروع به ازدياد حجم مي کند و در دماي چهار درجه سانتيگراد که هنوز مايع بشمار مي رود چگالتر از يخ است. اگر آب فاقد اين خوصيات خارق العاده بود، زندگي روي کره زمين به صورت فعلي امکان پذير نبود. ولي آيا واقعا دو نوع آب کاملا متفاوت نمي توانند وجود داشته باشند؟

خاصيت دوگانه آب

علت انکه در ميان تمامي مايعات، آب به دليل داشتن خاصيت دو گانه، منحصر به فرد ات، چسبندگي غير معمول مولکولهاي آن است. در تمامي مايعات مولکولها يکديگر را جذب مي نمايند، ولي مولکولهاي آب اين عمل را با روش مخصوص به خود- يعني يا با ايجاد پيوندهاي هيدروژني که از ساري پيوندهاي شيميايي ده بار ضعيفتر است- انجام مي دهند. اينپيوندهاي هيدروژني موجب ميشوند که هر مولکول آب به وسيله چهار مولکول ديگر در گوشه هاي يک چهار وجهي احاطه شوند. اين امر منجر به ايجاد فضاي خالي زيادي در بين مولکولها مي گردد که علت اصلي ساختار باز يخ که ساختمان چهار وجهي محکمي است در همين امر نهفته است. در حالت مايع، مولکولها مي توانند وارد اين فضاهاي آزاد و باز بشود و به همين علت است که آب مايع چگالتر از يخ است.
بنابراين در آب بين ساختار چهار وجهي که پيوندهاي هيدروژني سست ايجاد مي کند، با ساختار چگالتر که از تراکم مولکولي بالايي برخوردار است، همواره کشش وجود دارد. چنين وضعيتي اين امکان را فراهم مي سازد که بر اثر تغيير دما و فشار، بسته به غالب بودن يکي از اي دو عامل، ساختار آب از نوعي به نوع ئديگر تبديل شود. مدتها چنين تصور مي شد که چگالي حداکثر در چهار درجه سانتيگراد، ممکن است نشانه اي از اين تبديل تدريجي باشد. فيزيکدانان اظهار مي دارند که ممکن است در وضعيتهاي حادتر اين تغيير و تبديل، ناگهاني صورت گيرد. حال اگر دو نوع آب وجود داشته باشد، چرا قبلا مشاهده نشده اند؟ پاسخ آن ات که پيش بيني مي گردد که اين ماهيت دو گانه آب تنها در آبهاي فوق العاده سرد، يعني آبهايي که حتي در درجات کمتر از نقطه انجماد نيز مايع باقي مي مانند، آشکار مي گردد. اصولا يخ در دماهايي تشکيل ميشود که مولکولها بتوانند به شکل يک شبکه منظم در کنار يکديگر قرار بگيرند. اين امر هنگامي امکان پذير است فراروندي تحت عنوان "هسته سازي" تحت تاثير يک عامل ديگر- مانند تجمع اتفاقي برخي از مولکولهاي آب ب دور يديگر به شکل بلور- فعال شود. اين مجتمع مولکولي بعدها به عنموان هسته فراروند انجماد عمل مي نمايد ولي از مواد آلاينده مانند ذرات گرد و خاک را که مي توانند به عنوان هسته عمل نمايند از محيط خارج سازيم، مي توان عمل انجماد را متوقف نموده و به مايع فوق العاده سرد دست يافت.
در عمل براي رسيدن به چنين آبي، محدوديت وجود دارد تا کنون هيچکس نتوانسته است آب را در شرايط جوي، تا حد کمتر از 38 درجه سانتيگراد زير صفر سرد نمايد. اين امر که نشان مي دهد کمي پايين تر از اين حد ارتفاقات جالبي رخ مي دهد و به نظر مي رسد که آب رفتار عجيبي از خود ظاهر مي سازد.
در سال 1976 دو فيزيکدان به نامهاي آستين آنجل و رابين اسپيدي شواهدي يافتند دال بر آنکه آبهاي فوق العاده سرد در دماهايي کمي پايين تر از حد فوق سرد "بسيار حساس" ميشوند. آنها چنين حدس زدند که در دماي 45 درجه سانتيگراد زير صفر، ظرفيت حرارتي آب- قدار حرارت لازم براي افزايش دما به ميزان يک درجه سانتيگراد- به طور نامحدودي افزايش مي يابد. ساير خصوصيات و مشخصات آب نيز رفتارهاي عجيبي از خود نشان مي دهند.

اما علت اين پديده چيست؟

اسپيدي در سال 1982 ادعا کرد که حد نهايي فوق سرماي آب را کراني موسوم به خط "اسپينودال"- که اين رفتار عجيب در آن محدوده قابل پيش بيني است- تعيين مي کند. والي در سال 1992 فيزيکددان ديگري به نام استنلي به توضيح ديگري دست يافتند. آنها ادعا کردند که ممکن است آب فوق العاده سرد هم به صورت يک مايع با چگالي بالا و هم به صورت مايعي با چگالي کم وجود داشته باشد. آنها همچنين ابراز دذاشتند که خط جدا کننده اين دو نوع مايع- يعني دما و فشاري که تحت ْآنها آب از حالتي به حالت ديگر تبديل مي شود- ممکن است در 50- درجه سانتيگراد و فشار هزار اتمسفر باشد که به آن نقطه بحراني مي گويند و در آن نقطه دو نوع آب را نمي توان از هم تفکيک نمود.

نقطه بحراني

در نقطه بحراني برخي از خواص ماده مانند ظرفيت حرارتي نامحدود ميشود، ولي اين امر به طور ناگهاني اتفاق نمي افتد. نقطه بحراني مانند قله اورست که به وسيله کوههاي کم ارتفاع تري احاطه شده و رشته کوه هيماليا را از حالت يکنواختي خارج ساخته است، حالت يکنواختي خواص آب را از لحاظ طيف وسيع فشار ئ درجه حرارت مختل ساخته است. استنلي معتقد است که در نزديکي نقطه بحراني همه چيز بايد عظيم باشد. اگر قرار است يکي از خواص در دماي 50- درجه سانتيگراد به صورت نامحدود در آيد، بايد در دماي 20- درجه سانتيگراد يا حتي دماي اتاق، رقم بسيار بزرگي ر به خود اختصاص دهد. بنابراين چنانچه يک نقطه بحراني مرز مايع- مايع- حتي در فشارهاي بسيار بالا- وجود داشته باشد، در دماي 45- درجه سانتيگراد و فشار جو مي تواند عامل ايجاد حالتهاي غير عادي آب فوق العاده سرد باشد و حتي مي تواند توضيحي براي علت برخي از خواص خارق العاده آب در وضعيت معمولي باشد. به عنوان مثال، وجود حداکثر چگالي در دماي 4 درجه سانتيگراد ممکن است بع علت رقابت و تقابل آبهاي با چگالي بالا و چگالي کم در درجلات حرارت پايين تر و فشارهاي بيشتر باشد. اين نظره بسيار جالب است، ولي چنانچه اين دو نوع آب تنها در دماي زير 38- درجه سانتيگراد وجد داشته باشند، عملا هيچکس نمي تواند از طريق تجربه و آزمايش به آنها دست يابد، زيرا در چنين دمايي نمي توان مانع از انجماد آب شد. به همين دليل محققين به جاي آب روي به سوي يخ آوردند.

نوع يخها

گر چه نمي توان آب را در 38- درجه سانتيگراد به صورت مايع نگاه داشت، اما مي توان آن را آنقدر سرد نمود تا به يخ بي شکل (آمورف) شيشه اي- آب مايعي که مولکولهاي آن در اثر سرماي زياد از حرکت باز ايستاده اند- تبديل شود. درست مانند سيليسيم که هم مي تو.اند به شکل بلورهاي نامنظم کوارتز و هم به حالت شيشه بي شکل و بي نظم، مانند شيشه هاي پنجره وجود داشته باشد. به منظور توليد يخ نامنظم مي توان آب را به سرعت- با سرعت يک ميليون درجه در ثاينه- سرد نمود و يا آنکه در درجه حرارت -196 درجه سانتيگراد بلور يخ را تا ده هزار التمسفرز تحت فشار قرار داد. به نظر مي رسد که استفاده از روش افزايش فشار منجر به توليد يخ بي شکل با چگالي بالا و استفاده از روش برودت سريع منجر به ايجاد يخ بي شکل با گالي کم مي گردد.
بنابراين دو نوع يخ شيشه اي وجود دارد که چگالي يکي از آنها بيشتر از ديگري است. اينک اين تصور پيش مي آيد که شايد اين يخهاي شيشه اي همان دو نوع آب فوق العاده سرد باشند.
يکي از روشهاي فهم اين مطلب ذوب اين يخهاست تا مولکولهاي آن بتوانند مجددا حرکت نمايند و آنگاه مايع توليد شده را بتوان مورد بررسي قرار داد. ولي اين روش مانع ديگري را بر ر راه ما قرار مي دهد و آن اين است که يخ در حدود 120- درجه سانتيگراد ذوب ميشود که بسيار پايين تر از نقطه انجماد آب است، بنابراين به محض آنکه ذوب شود، مجددا منجمد شده و به شکل يخ معمولي در مي آيد و نمي توان مايع حاصل از ذوب يخ اوليه را مشاهده نمود.

خط جدا کننده

استانلي و فيزيکداني ژاپني به نام مي شي ما فرضيه اي ارائه کردند مبني بر تهيه نقشه توپوگرافي "سطح پتانسيل گيبز" براي آب در ناحيه فوق العاده سرد ارائه کردند. اين يک سطح شيبدار رياضيات که منعکس کننده رابطه اين دما، فشار و چگالي آب است. شکستگيهاي نوک تيز در اين سطح، نشاندهنده مرحله تبادلي و حد واسط بين حالات مختلف است. به منظور تهيه اين نقشه، محققين کار خود را با قطرات کوچک "يخ چهار"- به شکل بلوري پر فشار يخ است- شروع کردند. سپس با اعمال تغييرات فشار، اين بلورها را ذوب نمودند. تغييرات دماي نمونه مورد آزمايش مسيري را روي سطح مشخص کرد. استانلي اظهار داشت کاري که ما انجام داديم اين بود که نمونه را تحت فشار قرار داديم و دماي آن را اندازه گيري کرديم.
با استفاده از اينروش استنلي و ميشي ما سطح پتانسيل گيبز را بررسي کردند . در محل خط جدا کننده اي که حدس مس زدند هر دو نوع آب فوق العاده سرد مي توانمند به ور همزمان وجود داشته باشند، يک شکستگي آشکار يافتند که نشانه قطعي مرحلبه حد واسط يا تبادلي است. آنها نتوانستند هيچيک از مايعات را علنا مشاهده نمياند ولي تاثيرات ْآنها را بر سطح گيبز مشاهده کردند. البته شما نبايد نگران باشيد که در هنگام استحمام، ناگهان چند نوع آب از هم تفکيک شوند يا هنگام نوشيدن آب امکان انتخاب چند نوع آب را داشته باشيد. بر طبق اظهارات استنلي ممکن است که آب بر چند نوع داشته باشد ولي ما هرگز نمي توانيم آنها مشاده نماييم.
منبع: http://atwis.com
/خ