چرا آب، عجيب ترين مايع جهان است؟water

آب، فراوان ترين مايع و به جرات مهم ترين مايعي است كه روي زمين وجود دارد؛ اما اهميت آن به پديده هاي زيستي منحصر نمي شود. ويژگي هاي فيزيكي آب در مقايسه با ديگر مواد روي زمين، بي نظير است.
محمود حاج زمان: ما با معما هاي زيادي مواجه هستيم، از طبيعت ماده تاريك و سر منشاء جهان گرفته، تا تحقيق براي نظريه همه چيز. اينها همه معماهايي در مقياس بزرگ هستند، اما شما مي توانيد معماي ديگري را از جهان فيزيكي مشاهده كنيد كه از آشپزخانه شما مي آيد (و اگر همان قدر بزرگ نباشد، به همان اندازه گيج كننده باشد). فقط يك ليوان را از آب سرد پر كنيد، يك قالب يخ در آن بياندازيد و صبر كنيد تا آب از تلاطم بيفتد.
اين واقعيت كه يخ شناور مي شود، اولين مورد عجيب اين ماده است. زماني معما عميق تر مي شود كه با استفاده از يك دماسنج دماي آب را در اعماق مختلف اندازه بگيريد. در بالا و در نزديك قالب يخ، مي بينيد كه دماي آب نزديك به صفر درجه است، اما در انتهاي ليوان دما به 4 درجه مي رسد. دليل آن اين است كه چگالي آب در دماي 4 درجه سلسيوس، از هر دماي ديگري بيشتر است (يك ويژگي عجيب ديگر كه آن را از هر مايع ديگري متمايز مي سازد).
به گزارش نيوساينتيست، خواص عجيب آب همچنان ادامه دارد و برخي از آنها براي زندگي حياتي هستند. به دليل اينكه چگالي يخ از آب كمتر است و چگالي آب در نقطه انجماد كمتر از زماني است كه آب تا چهار درجه گرم تر باشد، آب نسبت به ته ليوان، از بالا به پايين منجمد مي شود. بنابراين حتي در طول عصر يخ بندان، زندگي در اعماق درياها و اقيانوس ها همچنان ادامه داشت. آب ظرفيت خارق العاده اي براي گرفتن گرما دارد و اين به ملايم تر كردن تغييرات آب و هوايي كمك مي كند، كه در غير اين صورت مي تواند اكوسيستم ها را نابود كند.
با اين حال، به رغم اهميت بسيار زياد آب براي حيات، هيچ نظريه واحدي دست كم تا كنون نتوانسته يك توضيح قابل قبول براي خصوصيات اسرارآميز آن ارائه كند. اگر ما بتوانيم نظريات اندرس نيلسون از فيزيكدانان دانشگاه استنفورد كاليفرنيا، و لارس پترسون از دانشگاه استكهلم سوئد، و همكاران اين دو را بپذيريم؛ بالاخره توانسته ايم به دليل واقعي خيلي از اين خصوصيات غير عادي پي ببريم.
نظريات جنجالي اين دو، بسط دهنده نظريه اي است كه بيش از يك قرن پيش از اين توسط ويلهلم رونتگن، كاشف اشعه ايكس، ارائه شده است. او ادعا كرده بود كه مولكول ها در آب مايع آن گونه كه در كتاب هاي امروزي مي بينيم، تنها از يك طريق به هم نپيوسته اند، بلكه اين اتصال از دو مسير كاملا متفاوت انجام مي شود.
ساختار اسرارآميز آب
كليد فهم اسرار آب، نحوه تعامل مولكول هاي آن با همديگر است، مولكول هايي كه از يك اتم اكسيژن و دو اتم هيدروژن تشكيل شده اند. اتم اكسيژن بار منفي ناچيزي دارد و اتم هاي هيدروژن، در مجموع بار مثبتي معادل آن دارند. به همين ترتيب، اتم هاي هيدروژن و اكسيژن مولكول هاي همسايه، از طريق تشكيل پيوندي به نام پيوند هيدروژني به همديگر جذب مي شوند.
پيوندهاي هيدروژني، خيلي ضعيف تر از پيوندهايي هستند كه اتم ها را در مولكول ها در كنار هم قرار مي دهند، و به همين دليل همواره در حال گسيختن و بازپيوستن هستند. اين پيوندها هنگامي به حداكثر قدرت خود مي رسند كه مولكول ها به نحوي كنار هم قرار گرفته باشند كه هر پيوند هيدوژني در امتداد يك پويند مولكولي قرار بگيرد. شكل يك مولكول آب به نحوي است كه هر مولكول H2O در ميان چهار مولكول همسايه قرار مي گيرد و يك هرم با قاعده مثلثي را تشكيل مي دهد، كه معمولا به نام تتراهدرون يا چهارسطحي شناخته مي شود.

27466201
دست كم، اين راهي است كه مولكول ها در يخ در كنار هم قرار مي گيرند. از يك ديدگاه متعارف سنتي، آب مايع يك ساختار مشابه ولي كمتر صلب دارد، كه در آن مولكول هاي بيشتري مي توانند در برخي از فضاهاي خالي در يك آرايش چهار سطحي قرار بگيرند. اين امر توضيح مي دهد كه چرا آب مايع از يخ چگال تر است، و به نظر مي رسد كه با نتايج آزمايش هاي گوناگون كه در آنها پرتوهاي ايكس، فرو سرخ و نوترون ها، از نمونه هاي آب منعكس مي شوند همخواني داشته باشد.
برخي از فيزيكدان ها ادعا كرده اند كه آبي كه تحت شرايط به خصوصي قرار گرفته باشد، به دو ساختار كاملا متفاوت تجزيه مي شود. ولي اكثر آنها چنين فرض مي كنند كه در شرايط عادي، تنها يك ساختار وجود دارد.
اما ده سال قبل، يك كشف اتفاقي توسط پترسون و نيلسون، اين تصوير را به چالش كشيد. آنها در حال استفاده از طيف سنجي جذبي اشعه ايكس براي تحقيق در مورد آمينو اسيد گليسين بودند. نقاط پيك در طيف جذبي اشعه ايكس مي تواند ماهيت دقيق اتصالات شيميايي ماده هدف را مشخص كنند، و همچنين به تعيين ساختار آن كمك كنند. نكته مهم اين بود كه آن دو از يك منبع جديد قدرت مند اشعه ايكس استفاده مي كردند كه مي توانستند با استفاده از آن، اندازه گيري هاي حساس تر و دقيق تري را نسبت به آن چه تا پيش از اين ممكن بود انجام دهند. آنها به زودي دريافتند كه آبي كه حاوي نمونه گليسين بود، طيف خيلي جالب تري به نسبت خود آمينو اسيد توليد مي كرد. نيلسون مي گويد: «آن چه ما ديديم بسيار شورانگيز بود، بنابراين ما احساس كرديم كه بايد به كنه آن پي ببريم».
مفاهيم مهيج
ويژگي كه توجه آنها را جلب كرد يك نقطه پيك در طيف جذبي بود كه توسط مدل هاي سنتي آب مايع پيش بيني نشده بود. در حقيقت، در مقاله اي كه آنها در سال 2004 منتشر كردند چنين نتيجه گرفتند كه در هر لحظه، 85 درصد از پيوندهاي هيدروژني در آب، بايد تضعيف و يا شكسته شده باشند. اين مقدار خيلي بيشتر از 10 درصدي است كه توسط مدل هاي كتب درسي پيش بيني شده است.
مفاهيم اين يافته بسيار جالب توجه هستند: اين به معني آن است كه يك بازنگري كامل در ساختار آب مورد نياز است. در نتيجه نيلسون و پترسون شروع به انجام آزمايش هاي ديگري با پرتو ايكس براي اثبات ادعاي خود كردند. اولين حركت آنها استقبال از كمك شيك شين از دانشگاه توكيو در ژاپن بود. وي متخصص تكنيكي است كه «طيف سنجي نشري اشعه ايكس» نام دارد. نكته كليدي در مورد اين طيف سنجي اين است كه در طيف نشري يك ماده، هر چه طول موج اشعه ايكس كوتاه تر باشد، پيوند هيدروژني بايد ضعيف تر باشد.
نتيجه عالي بود: طيف اشعه ايكس نشري، شامل دو نقطه پيك بود كه ممكن بود ناشي از دو ساختار جداگانه باشند. اعضاي گروه چنين استدلال كردند كه پيك مربوط به اشعه هاي ايكس با طول موج بلندتر، نشان دهنده سهم مولكول هايي است كه به صورت چهار سطحي آرايش يافته اند، در حالي كه پيك طول موج كوتاه تر، بازتاب دهنده سهم مولكول هايي است كه ساختار متفاوتي دارند.
جالب اينجا بود كه پيك طول موج كوتاه تر در نشر اشعه ايكس شديدتر از ديگري بود. اين بدان معني است كه مولكول هاي با پيوند ضعيف تر در آن نمونه، شايع تر بودند؛ و اين خود تاييدي بر ادعاي پيشين اعضاي گروه بود. علاوه بر آن، آنها همچنين دريافتند كه هر چه آب گرم تر باشد، اين پيك به طول موجهاي كوتاه تري منتقل مي شود؛ در حالي كه پيك ديگر، كمابيش ثابت باقي مي ماند.
اين بدان معني است كه پيوند هاي هيدروژني اتصال دهنده مولكول هاي موجود در اين ساختار متفاوت، در اثر گرما بيشتر تضعيف مي شوند؛ كه باز هم با پيشبينيهاي گروه مطابقت داشت. آنها سپس داده هاي تجربي قديمي تر را، كه به نظر مي رسيد كه با شكل سنتي آب مطابقت دارد، دوباره بررسي كردند و اكنون ادعا مي كنند كه اين نتايج نيز با مدل جديد مطابقت دارد.
اگر آنها درست بگويند سوال ديگري مطرح مي شود: تفاوت ها در ساختارهاي مختلف در مايع تا چه اندازه است؟ براي يافتن پاسخ، آنها از يك اشعه ايكس پرتوان استفاده كردند كه در منبع نور تابشي سينكرترون دانشگاه استنفورد در كاليفرنيا توليد شده بود. اين بار، چگونگي پراكندن پرتوهاي ورودي از زاويه هاي مختلف به سطح آب، مورد ارزيابي واقع شدند. به گفته آنها، نتايج آشكار مي كند كه آب پوشيده از نواحي كوچكي از مولكول هايي است كه به صورت چهار سطحي آرايش يافته اند، و هر طول هر ناحيه نيز بين 1 تا 2 نانومتر است..
با تركيب اي يافته ها با اندازه گيري هاي ديگري كه توسط اووه برگمن در دانشگاه استانفورد انجام شده بود، آنها نتيجه گرفتند كه ساختارهاي منظم، كه هر يك به طور متوسط شامل50 تا 100 مولكول هستند، توسط دريايي از پيوند هاي مولكولي ضعيف احاطه شده اند. ولي اين نواحي ثابت نيستند. در كمتر از يك تريليونيوم ثانيه، مولكول هاي آب بين دو حالت گسست و باز توليد پيوندهاي هيدروژني نوسان مي كنند.
توضيح غير قابل توضيح!
توازن متغير بين دو نوع آب كه توسط نيلسون و پترسون مطرح شده بود، مي تواند توضيحي باشد بر اينكه چرا آب در دماي 4 درجه به بيشترين چگالي خود مي رسد. در نواحي آشفته مولكول هاي آب به هم نزديك تر هستند كه اين خود باعث چگال تر شدن آب نسبت به نواحي مي شود كه مولكول هاي آب در ساختار چهار سطحي منظم آرايش داده شده اند. در دماي صفر درجه نواحي آشفته نسبتا كمياب هستند اما زماني كه آب گرم تر مي شود، انرژي گرمايي اضافي تمايل بيشتري به لرزاندن و جدا كردن ساختارهاي منظم تر مي يابد. بنابراين مولكول ها زمان كمتري را در ساختارهاي منظم چهار سطحي و مدت زمان بيشتري را در نواحي آشفته سپري مي كنند، امري كه در مجموع باعث بيشتر شدن چگالي مي شود.
از سوي ديگر، زماني كه دما افزايش مي يابد، حركت مولكول هاي با پيوند ضعيف تر بيشتر خواهد شد و همين مسئله به تدريج آنها را وا مي دارد كه از هم دورتر شوند. اين بسط كه يك بار به توضيح دليل چگالي بيشينه آب در دماي چهار درجه سلسيوس بالاي صفر كمك كرده بود، اين بار نيز به توضيح دليل كاهش چگالي و افزايش حجم آب با افزايش بيشتر دماي آن كمك مي كند.
به عقيده پترسون، اين نظريه توضيحات كاملي را براي بسياري از خواص غيرطبيعي غير قابل توجيه ديگر آب ارائه مي كند. مواردي كه به ادعاي آن دو، ديگر نظريه ها هنوز نتوانسته اند به آن دست يابند. مارتين چاپلين، كه يك شيمي دان در دانشگاه ساوث بنك لندن است، با اين نظريه موافق است. توضيحاتي كه بر مبناي سيستم تك مولفه اي متعارف بودند، مجبور بودند زماني كه دماي آب تغيير مي كند تلاش زيادي بكنند تا بتوانند ويژگي هاي متعدد آب از قبيل كمينه و بيشينه را با نظريه خود سازگار كنند. چاپلين مي گويد: «ساختار دوگانه كاملا با آزمايش ها همخواني دارد و مي تواند خصوصيات غير عادي آب را خيلي ساده تر از مدل هاي سنتي توضيح دهد».
به مقاله سال 2004 نيلسون و پترسون در مجله ساينس تا كنون بيش از 350 بار و توسط محققين ديگر، ارجاع شده است. با اين حال، هنوز خيلي ها بدبين هستند. يك بدبيني اين است كه توضيح گروه در مورد نتايج طيف سنجي اشعه ايكس، بر مبناي شبيه سازي دست كم 50 مولكول آب در حال تعامل با هم است. يك مدل بينهايت پيچيده كه تنها مي تواند به طور تقريبي حل شود. ريچارد سايكالي از دانشگاه بركلي كاليفرنيا مي گويد: «ما نياز به يك نظريه خيلي دقيق تر داريم تا بتوانيم چنين ادعاي بزرگي را بپذيريم». او ادعا ميكند كه تنظيمات كوچك براي آرايش پيوندهاي هيدروژني در ساختارهاي متعارف، براي توضيح نتايج اشعه ايكس پترسون و نيلسون كفايت مي كنند. حتي يكي از اعضاي گروه آنها، مايكل اوبليوس از دانشگاه استكهلم، همكاري خود را با آنها قطع كرد چرا كه با تفسير آنها از داده هاي نشر اشعه ايكس موافق نبود.
يك نكته جزئي كه خيلي از افراد را به اين نظريه بدبين كرده بود، يك ادعا در مقاله سال 2004 بود كه مولكول هايي كه پيوند ضعيف تري دارند، تشكيل حلقه و زنجيره مي دهند؛ و در واقع نيلسون و همكارانش نيز اكنون كمتر در مورد جزئيات ساختار مولكولي نامنظم اظهار نظر مي كنند. ولي يوجين استنلي ازدانشگاه بوستون، باور ندارد كه اين امر كاملا نظريه آنها را زير سوال مي برد: وي مي گويد: «من فكر نمي كنم كه آنها بايد تا ابد محكوم شوند». به رغم اين كه نظريه آنها هنوز جاي كار دارد، ولي به گفته او، نتايج پراكنش اشعه ايكس شواهدي بر تاييد نظريه آنها ارائه مي كند.
هيچ شكي نيست كه هنوز نيلسون و پترسون با مخالفت هاي شديدي مواجه خواهند بود، ولي پاداش هاي يك درك فراگير از ساختار آب مايع مي تواند شايان توجه باشد. اين درك مي تواند منجر به درك بهتر از مواردي مانند چگونگي برهم كنش پروتئين ها و داروها با مولكول هاي آب در بدن، و در نتيجه توليد داروهاي موثرتري گردد. با دادن يك ايده بهتر از چگونگي رفتار مولكول هاي آب در اطراف منافذ ريز ما، مي تواند به تلاش ها براي نمك زدايي و تصفيه آب كمك كند و سطح دسترسي به آب تميز را بيشتر كند.
پترسون مي گويد: «درك ما از آب يك تصوير در حال تكامل است. پيش از تكميل اين تصوير، تحقيقات بيشتري بايد توسط گروه هاي مختلف انجام شود». چه كسي مي تواند با اين حرف مخالفت كند؟