شگفتی‌های عجیب‌ترین مایع روی زمین

پژوهش‌گران توانسته‌اند دو حالت از آب مایع را مشاهده کنند که تا پیش از این تصور می‌شد فقط در دماهای پایین‌تر از دمای انجماد وجود دارد.

آب بدون شک عجیب‌ترین مایع روی زمین است. برخلاف اکثر مایعات دیگر، هنگامی که منجمد می‌شود، چگالی آن کمتر می‌شود و جالب اینجاست که بیشترین چگالی آن نیز در پایین‌ترین دمای آن به دست نمی‌آید؛ بلکه در 4 درجه بالای صفر به چگالی بیشینه خود می‌رسد. اینها فقط دو نمونه از خواص غیر عادی و پرشمار آب هستند که تعدادی از آنها برای عملکرد آن در محیط طبیعی خیلی مهم و حیاتی است. برای مثال چون یخ روی آب شناور می‌ماند، دریاچه‌ها در زمستان از پایین به بالا یخ نمی‌زنند.

پژوهش‌گران توانسته‌اند دو حالت از آب مایع را مشاهده کنند که تا پیش از این تصور می‌شد فقط در دماهای پایین‌تر از دمای انجماد وجود دارد.

آب بدون شک عجیب‌ترین مایع روی زمین است. برخلاف اکثر مایعات دیگر، هنگامی که منجمد می‌شود، چگالی آن کمتر می‌شود و جالب اینجاست که بیشترین چگالی آن نیز در پایین‌ترین دمای آن به دست نمی‌آید؛ بلکه در 4 درجه بالای صفر به چگالی بیشینه خود می‌رسد. اینها فقط دو نمونه از خواص غیر عادی و پرشمار آب هستند که تعدادی از آنها برای عملکرد آن در محیط طبیعی خیلی مهم و حیاتی است. برای مثال چون یخ روی آب شناور می‌ماند، دریاچه‌ها در زمستان از پایین به بالا یخ نمی‌زنند.

این رفتار غیر عادی از پیوندهای شیمیایی ضعیف آب ناشی می‌شود که پیوند هیدروژنی خوانده می‌شود و مولکول‌های آب را در حالت مایع کنار هم نگاه می‌دارد. در یخ، این پیوند مولکول‌ها را با فاصله‌ای معادل "یک دست از هم" نگاه می‌دارند، و در نتیجه فضای زیادی بین آنها باقی می‌ماند.

در سال 1992 / 1371، جین استانلی از دانشگاه بوستون ماساچوست و همکارانش، شبیه‌سازی‌های کامپیوتری از آب انجام دادند که نشان اگر آب در دمای خیلی پایین و تحت فشار بالایی قرار گیرد، می‌داد این پیوند هیدروژنی احتمالا دو نوع متفاوت از مایع را تولید می‌کنند. در یک حالت، شبکه‌ای نسبتا باز و پراکنده از مولکول‌های آب تشکیل می‌شود که آب کم‌چگال (LDL) نامیده می‌شود و در حالت دیگر، مولکول‌های آب فشرده‌تر می‌شوند تا جایی‌که برخی از پیوندهای هیدروژنی شکسته می‌شوند و آب پرچگال (HDL) شکل می‌گیرد.

استانلی و همکارانش دریافتند که این دو حالت آب در یک "تبدیل فاز" به هم تبدیل می‌شوند، مانند تبدیل فاز آب / یخ که آب و یخ را در مایع معمولی آب از هم جدا می‌کند. از این منظر، ویژگی‌های عجیبی مانند بیشینه چگالی در دمای 4 درجه سانتی‌گراد، بازتابی از رقابت بین آب پرچگال و آب کم‌چگال است که در دماهای بسیار پایین‌تر سبب تبدیل فاز می‌شوند.

اکنون دینو لپورینی از دانشگاه پیزا در ایتالیا و همکارانش در موسسه ملی علوم هند در بنگلور می‌گویند که توانسته‌اند این دو حالت آب را که گروه استانلی در سال 1371 پیش بینی کرده بود، ببینند.

این ادعا، کارشناسان را به دو دسته تقسیم کرده است. استانلی این کار را برجسته می‌نامد، ولی پابلو دیبندتی که از متخصصان فیزیک مایعات در دانشگاه پرینستون در نیوجرسی است، می‌گوید که هرچند نتایج جالبی بدست آمده، «قطعا آن دلیل محکمه‌پسندی که مدت‌ها به دنبالش می‌گشتند، نیست! دلیلی که ثابت کند که آب دو حالت مایع دارد که در دما و فشار خاصی به هم تبدیل می‌شوند».

یخ، شاید یخ

بخشی از مشکل به این برمی‌گردد که بررسی تجربی این دو حالت مفروض مایع خیلی سخت است، چرا که آب پیش از این‌که به دمایی که در آن احتمالا این دو حالت وجود دارند برسد؛ تمایل به انجماد دارد؛ یعنی دمای پایین‌تر از منفی 75 درجه سانتی‌گراد. در سال 1998 / 1377 استانلی و همکارش اوزامو میشیما از انستیتوی ملی تحقیقات مواد غیر آلی در تسوکوبا در ژاپن، هنگامی که یخ را با فشرده‌کردن به مایع تبدیل می‌کردند، نشانه کوچکی از تبدیل مایع به مایع را دیدند.

سپس در سال 2007 / 1386، فرانچسکو مالاماچی از دانشگاه مسینا در ایتالیا و همکارانش نشانه‌هایی از دو نوع آب بسیار سرد محدودشده در منافذ سیلیکا را گزارش دادند که به حدی ریز بودند که به آب اجازه یخ زدن نمی‌دادند. البته این یافته‌ها، با این نقد مواجه شد که رفتار آب ممکن است به دلیل وجود منافذ بسیار ریز سیلیکا تغییر کرده باشد.

اما لپورینی و همکارانش فکر می‌کنند که توانسته‌اند این مشکل را با محدود کردن آب در خود یخ حل کنند. آنها از تکنیکی به نام رزونانس اسپین الکترون برای بررسی حرکت مولکول‌های آب در محفظه‌های کوچک مایع که بین بلور‌های یخ در دمای کمتر از منفی 183 درجه گیر افتاده‌اند، استفاده کردند.

پژوهش‌گران مستقیما حرکت آب را اندازه نگرفتند: در عوض، آنها حرکت‌های یک مولکول آلی به نام تمپول را بررسی کردند که اگر گران‌روی آب بیشتر شود، آهسته‌تر حرکت می‌کند. به گفته لپورینی این روش آنها را قادر می‌سازد که فقط حرکات آب محصور درون یخ را بررسی کنند، چرا که تمپول وارد یخ نمی‌شود.

آنها گزارش داده‌اند که بین دمای منفی 140 و صفر درجه سانتی‌گراد، می‌توانند دو نوع از حرکات تمپول را مشاهده کنند که احتمالا ناشی از حضور دو نوع از آب درون محفظه‌های یخی است. یکی از دیگری آهسته‌تر است و آنها این را به منزله حضور دو نوع مجزای آب تعبیر کردند: حالت LDL با گران‌روی بیشتر و حالت سیال‌تر HDL است.

زندگی زیر یخ

دیبندتی قبول دارد که این نتایج، دلالت بر وجود دو نوع متفاوت از آب دارند که مقادیر نسبی آنها با تغییر دما تغییر می‌کند. ولی به نظر او هنوز شواهدی از این که این دو حالت آب، فازهای مشخص و مجزای آب باشند وجود ندارد. به گفته او ممکن است که آنها به تدریج به هم تبدیل شوند و هنوز معلوم نیست که تغییر مطلق حالت از یکی به دیگری وجود داشته باشد.

آوستین انجل، متخصص آب از دانشگاه ایالتی آریزونا در تمپا، حتی از این هم بدبین‌تر است. او فکر می‌کند همان‌طور که آب دریا هنگامی که یخ می‌زند نمک را از خود خارج می‌کند، این رگه‌های کوچک درون بلور یخ ممکن است شامل هر گونه ناخالصی باشند: «مایعی که نویسندگان مقاله بررسی کرده‌اند، آب خالص نیست؛ خوب وقتی که قسمت اعظم آب به بلور یخ تبدیل شده، چه چیزی باقی می‌ماند؟ ترکیب آن مشخص نیست. حدس من این است آن‌چه مورد مطالعه قرار گرفته، ترکیب غلیظی از تمپول و ناخالصی‌های محلول در آب بوده است».

در نتیجه قبل از این که بتوان نتایج را تایید کرد، باید کارهای زیادی انجام داد. ولی این مسلم است که حتی اگر این حق با منتقدین این تحقیقات باشد، باید دلیلی برای این ویژگی‌ها وجود داشته باشد و علاوه بر آن خود این تحقیقات نیز راه را به دنیاهای جدیدی باز خواهد کرد. یکی از آنها می‌تواند احتمال وجود حیات در درون این کیسه‌های آب محصور درون یخ در قطبین و یا حتی در ذخایر یخ دیگر سیارات باشد، حیاتی که احتمالا وابسته به این دو نوع متفاوت آب خواهد بود.