هم مایع هم یخ؛ کشف حالتی عجیب از آب در مقیاس نانو

آب که معمولاً مایه‌ی حیات و نماد سادگی به شمار می‌آید، در واقع رفتاری بسیار پیچیده‌تر از تصور ما دارد. به‌تازگی، پژوهشگران در ژاپن کشف کرده‌اند که وقتی مولکول‌های آب در فضاهای بسیار تنگ و محدود قرار گیرند، می‌توانند هم‌زمان ویژگی‌های مایع و جامد را از خود بروز دهند؛ حالتی مرموز که نگاه تازه‌ای به رفتار این ماده‌ی بنیادین می‌گشاید.

به گزارش زومیت، در مقیاس مولکولی، تفاوت بین آب مایع و یخ از نحوه‌ی آرایش مولکول‌ها ناشی می‌شود. در یخ، مولکول‌های H₂O در ساختاری منظم و سفت قفل شده‌اند، اما در آب مایع، آزادانه حرکت می‌کنند و پیوندهای هیدروژنی خود را به‌طور مداوم می‌سازند و می‌شکنند.

به گفته‌ی ماکوتو تادوکورو، شیمی‌دان از دانشگاه علوم توکیو، حالت پیش‌ذوب شامل ذوب‌شدن مولکول‌های H₂O با پیوندهای ناقص پیش از آغاز ذوب کامل ساختار یخ در هنگام گرم‌شدن است. او توضیح می‌دهد که این وضعیت در واقع حالتی نوین است که در آن، لایه‌های منجمد و لایه‌هایی از مولکول‌های کند‌حرکت H₂O به طور هم‌زمان در کنار هم وجود دارند.

پژوهشگران برای ثبت رفتار عجیب آب، از روشی بسیار دقیق بهره بردند. ابتدا از «آب سنگین» یا D₂O استفاده کردند که در آن اتم‌های هیدروژن با ایزوتوپ «دوتریوم» جایگزین می‌شوند؛ اتمی که یک نوترون اضافه دارد. این آب در کانال‌هایی فوق‌العاده باریک و آب‌دوست با پهنای تنها ۱٫۶ نانومتر محصور، سپس منجمد و به‌آرامی گرم شد. با استفاده از رزونانس مغناطیسی هسته‌ای دوتریوم در حالت جامد، پژوهشگران توانستند ساختاری سه‌لایه و سلسله‌مراتبی را مشاهده کنند که هر لایه، حرکت و برهم‌کنش متفاوتی دارد.

پدیده‌ی پیش‌ذوب در مقیاس ماکرو، حتی در دماهای زیر صفر به شکل لایه‌ی نازکی از آب روی سطح یخ ظاهر می‌شود. اما در ابعاد نانومتری، رفتار آن کاملاً متفاوت است. پژوهش‌های پیشین نیز نشان داده بودند که آب در مقیاس نانو رفتارهایی غیرمعمول دارد: می‌تواند در دمای نزدیک به صفر مطلق از یخ‌زدن بازبماند، یا در دمایی که باید بجوشد، منجمد شود.

به باور پژوهشگران، درک رفتارهای مرموز آب می‌تواند راه را برای کاربردهای نو باز کند. تادوکورو می‌گوید: «با ساخت شبکه‌های تازه در ساختار یخ، ممکن است بتوان گازهای پرانرژی مانند هیدروژن و متان را ذخیره کرد و مواد جدیدی از جمله شبه‌هیدرات‌های گازی مصنوعی را بر پایه‌ی آب توسعه داد.»

پژوهش در مجله‌ی انجمن شیمی آمریکا منتشر شده است.