نخستین مشاهده "کشش کوانتومی" آب

به گزارش نیواطلس، آب بیش از نیمی از بدن انسان را تشکیل می‌دهد و حدود ۷۰ درصد از سطح زمین را پوشانده است، اما هنوز چیزهای زیادی در مورد آب وجود دارد که ما از چرایی آنها بی‌خبریم.

دانشمندان با استفاده از ابزارهای پیشرفته برای مطالعه جت‌ها یا فواره‌های میکروسکوپی مایع، مولکول‌های آب را در حال هل دادن و کشیدن یکدیگر در چیزی که به عنوان "کشش کوانتومی"(quantum tug) توصیف شده است، مشاهده کردند. این پدیده‌ای است که تاکنون به طور مستقیم مشاهده نشده بود و ممکن است به توضیح برخی از رفتارهای عجیب آب کمک کند.

این تحقیقات پیشگامانه توسط دانشمندان دانشگاه "استنفورد" و دانشگاه "استکهلم" انجام شد و آنها به دنبال کشف نیروهایی بودند که مولکول‌های آب را در کنار هم نگه می‌دارند.

در هر مولکول آب یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن وجود دارد. اتم‌های هیدروژن دارای بار مثبت در یک مولکول به اتم‌های اکسیژن با بار منفی در مولکول دیگر جذب می‌شوند که این امر باعث اتصال مولکول‌های آب به یکدیگر می‌شود.

آب دارای خواص عجیبی است که آن را از بسیاری مایعات دیگر متمایز می‌کند و بسیاری از قوانین مربوط به آنچه مایعات باید آنگونه رفتار کنند را زیر پا می‌گذارد. به عنوان مثال یک تکه کره جامد روی لیوانی از کره ذوب شده شناور نمی‌ماند، اما وقتی چند تکه یخ را در یک لیوان آب بریزید، روی آب می‌ماند. آب همچنین کشش سطحی فوق العاده‌ای را ایجاد می‌کند که حشرات را قادر می‌سازد تا روی سطح آن بایستند و از روی آن عبور کنند و همچنین توانایی خوبی در ذخیره گرما و ثابت نگه داشتن دمای اقیانوس دارد.

دانشمندان بر این باورند که درک بهتر پیوندهای هیدروژنی بین مولکول‌ها می‌تواند به توضیح این خواص عجیب کمک کند و نویسندگان این مطالعه جدید گام مهمی در این راستا برداشته‌اند.

"جی یانگ" سرپرست این مطالعه می‌گوید: برای مدتی طولانی، محققان در تلاش بودند تا شبکه پیوند هیدروژنی را با استفاده از تکنیک‌های طیف‌سنجی درک کنند. زیبایی این آزمایش این است که ما برای اولین بار توانستیم نحوه حرکت این مولکول‌ها را مستقیماً مشاهده کنیم.

دلیل دشواریِ مشاهده این پدیده این است که حرکت پیوندهای هیدروژنی بسیار سریع و بسیار ظریف است. اما دانشمندان با استقرار یک "دوربین الکترونی" با سرعت بالا، که از پرتوی قدرتمندی از الکترون‌ها استفاده می‌کند و حرکات مولکولی بسیار ظریف را آشکار می‌کند، پیوندهای هیدروژنی را در حین حرکت رصد کردند.

این آزمایشات شامل جت‌های بسیار ریز آب با ضخامت ۱۰۰ نانومتر یا حدود ۱۰۰۰ بار نازک‌تر از یک تار موی انسان بود که نور مادون قرمز به آن شلیک شده و باعث لرزش مولکول‌های آب شد. سپس از دوربین الکترونی برای ایجاد عکس‌های با وضوح بالا از اتم‌های در حال تغییر درون مولکول‌های آب استفاده شد که نحوه تعامل آنها را نشان داد.

هنگامی که مولکول‌های برانگیخته آب شروع به ارتعاش می‌کنند، اتم‌های هیدروژن شروع به کشیدن اتم‌های اکسیژن در مولکول‌های همسایه می‌کنند و آنها را به هم نزدیک می‌کنند و سپس با قدرت بیشتر آنها را دفع می‌کنند. این عمل که به عنوان "کشش کوانتومی" توصیف می‌شود، فضای بین مولکول‌ها را گسترش می‌دهد.

"آندرس نیلسون" از محققان این مطالعه می‌گوید: اگرچه این اثر به اصطلاح "کوانتومی هسته‌ای" مسئول بسیاری از خواص عجیب آب است، اما این آزمایش اولین بار است که به طور مستقیم آن را مشاهده می‌کند. سوال این است که آیا این اثر کوانتومی می‌تواند حلقه مفقوده در مدل‌های نظری باشد که ویژگی‌های عجیب آب را توصیف می‌کنند؟

دانشمندان امیدوارند از این روش برای درک بهتر خواص غیر معمول آب استفاده کنند. این کار می‌تواند منجر به درک بهتر نه تنها خود آب، بلکه نقش آن در موجودات زنده شود.

"شیجی وانگ" از محققان این مطالعه می‌گوید: این مطالعه واقعاً پنجره جدیدی را رو به مطالعه آب باز کرده است. اکنون که سرانجام شاهد حرکت پیوندهای هیدروژنی هستیم، می‌خواهیم این حرکات را با تصویر گسترده‌تری مرتبط کنیم که می‌تواند چگونگی منجر شدن آب به بقای حیات بر روی زمین را آشکار کند و همچنین توسعه روش‌های انرژی تجدیدپذیر را به همراه داشته باشد.

این تحقیق در مجله Nature منتشر شده است.

منبع: ایسنا

70