شکل آب: یک پژوهش جدید درباره جزئیات اسرارآمیز گذارهای فازی آب | بلاگ

شکل آب: یک پژوهش جدید درباره جزئیات اسرارآمیز گذارهای فازی آب

تعرفه تبلیغات در سایت

آخرین مطالب

امکانات وب

آب، همیشه یک ماده ی مهم، حیاتی و شگفت انگیز بوده است. به گفته یسی آستن آنجل، شیمیدان دانشگاه ایالتی آریزونا، با وجود فراوانی بالای این ماده و اشغال بیش از سه چهارم سطح زمین، پژوهشگرها هنوز هم از بعضی ویژگی های آن شگفت زده می شوند.

آنجل، یکی از اساتید دانشکده ی علوم مولکولی دانشگاه آریزونا، در بخشی از کار خود به بررسی بعضی ویژگی های فیزیکی اسرارآمیز آب پرداخته است. آنجل و همکاران از دانشگاه آمستردام در بخش جدیدی از پژوهش های خود که در مجله یScience(نسخه ی ۹ مارس) منتشر شده، برای اولین بار شاهد یکی از جذاب ترین خصوصیات آب بودند که پیش از این توسط نظریه پردازان پیش بینی شده بودپیش بینی شده بود. بر اساس این نظریه، آب تحت شرایط مشخص و انجماد بیش از حد، به شکلی ناگهانی از یک مایع به یک مایع دیگر تغییر فاز می دهد. مایع جدید آب با تراکم کمتر و آرایش مولکولی متفاوت است، به طوری که اتصال مولکولی های هیدروژن قوی تر است و همین ویژگی آن را به یک مایع چسبنده تبدیل می کند.

آنجل با اشاره به شکست علمی چند دهه ی گذشته اشاره کرد، این گذار فازی ارتباطی باپلی واتر(Poly Water) ندارد. این پدیده ی جدید یک گذار فازی مایع-مایع است و تاکنون تنها در شبیه سازی های کامپیوتری از مدل های آبی مشاهده شده است. اما بررسی این پدیده به صورت مستقیم در آب واقعی با یک مشکل روبه رو است: آب بسیار زودتر از زمان مقرر تئوری، به بلورهای یخی تبدیل می شود. به این پدیده،پرده ی کریستالیگفته می شود که سال هاست مانعی برای درک فیزیک آب و آب در زیست شناسی به شمار می رود. به گفته ی آنجل:

دامنه ی بین دمای کریستالی و دمای پائین تری که آب شیشه ای (با تجزیه ی مولکول های آب از بخار تشکیل می شود) در طول فرآیند گرمایش به حالت کریستالی تبدیل می شود، به اصطلاح به سرزمینبدون مردمعروف است. اخیرا توانستیم روشی برای کنار زدنپرده ی کریستالیپیدا کردیم تا به فرآیند پشت پرده ی آن پی ببریم.

درک گذارهای فازی آب برای یک مجموعه از کاربردها حائز اهمیت هستند. برای مثال، نوسانات مخرب جاده ها و مسیرهای بتنی در زمستان بر اثر گذار فازی از آب به یخ زیر بتن رخ می دهد. گذار فازی مایع به مایع در پروژه ی فعلی، ویژگی های مشترکی با گذار به حالت یخ دارد اما در دمای بسیار پائین تر یعنی حدود منفی ۹۰ درجه ی سانتی گراد و فقط تحت شرایط بسیار سرد رخ می دهد؛ بنابراین تا یک مدت زمان قابل پیش بینی، به عنوان یک پدیده ی علمی عجیب باقی خواهد ماند.

درک گذارهای فازی آب برای یک مجموعه از کاربردها از جمله زمینه های عمرانی حائز اهمیت هستند

آنجل توضیح می دهد که تقریبا چند سال پیش او و همکارشژوفنگ ژائوبه بررسی رفتار گرمایی یک نوع مشخص از محلول آبیایده آلپرداختند که هدف آن باز و بسته کردن کروی بود. آن ها می خواستند توانایی این محلول ها را در شرایط زیر انجماد ارزیابی کنند و سپس آن ها را شیشه ای کنند. برای محدود کردن دامنه ی شیشه ای محلول و بهبود شرایط کریستالی شدن یخ، آب بیشتری را به آن اضافه کردند. اما به یک نتیجه ی دیگر رسیدند: محلول با نزدیک شدن به حالت کریستالی به جای (باقی گذاشتن یک محلول غیرمنجمد) توسعه ی گرما، درست مشابه فرآیند سردسازی محلول های نمکی، برای تشکیل یک فاز مایع جدید، گرما را آزاد می کند. این مایع جدید چسبندگی بیشتری دارد و تا اندازه ای هم شیشه ای است. علاوه بر این، انجل و ژائو با معکوس کردن جهت تغییر دما، به این نتیجه رسیدند که می توانند فاز جدید را قبل از کریستالی شدن یخ به محلول اصلی برگردانند. به گفته ی انجل:

این مشاهده که درAngewandted Chemieمنتشر شد، توجه بسیاری را به خود جلب کرده است؛ اما هیچ گونه اطلاعات ساختاری برای توصیف این فرآیند ارائه نمی دهد. این نتیجه در بازدید انجل از دانشگاه آمستردام در حدود دو سال پیش تغییر کرد، او با ساندر وترسون متخصصاسپکتروسکوپیمادون قرمز ملاقات کرد که علاقه ی زیادی هم به ابعاد ساختاری این پدیده داشت.

تصویر 1

تیم با همکاری وترسن و دانشجوی او میشل هیلبرس و همکارش برند انسینگ در مقاله ای ثابت کردند ساختارهای موجود در گذار مایع مایع، علائماسپکتروسکوپیو همین طور الگوهای هیدروژنی مشابهی دارند که در فرآیندهای آزمایشگاهی در دو شکل شیشه ای شناخته شده از یخ مشاهده شده اند (فازهای جامد بلوری کم تراکم و پرتراکم آب). به گفته ی انجل:

گذار فازی مایع مایع به عنوانآنالوگ زنده ی(living analog) تغییر بین دو حالت شیشه ای آب خالص در نظر گرفته می شود که در ۱۹۹۴ با استفاده از فشار خالص به عنوان نیروی محرک گزارش شده است.

به گفته ی ووترسن، نتایج، شواهد مستقیمی مبنی بر وجود گذار مایع مایع بین پرده ی کریستالی در آب خالص را نشان می دهند. این یافته، توصیفی کلی برای ناهنجاری های ترمودینامیک آب مایع است و یک ارزیابی براینظریه ی دوم نقطه ی بحرانیبه شمار می رود که توسط گروهجن استنلیبرای توصیفی این ناهنجاری ها به کار برده می شود. به گفته ی انجل:

این رفتار تقریبا در میان یک سلسله از مایع های شناخته شده ی مولکولی منحصر به فرد است. و تنها چند ماده ی معدود دیگر چنین رفتاری دارند که تا کنون ثابت نشده است.

...
نویسنده : بازدید : 9 تاريخ : شنبه 25 فروردين 1397 ساعت: 0:49