برای اولین بار در تاریخ علم؛ آب به جای یخ زدن، شیشه شد!
فیزیکدانان برای نخستین بار موفق شدند فرایند انجماد آب و تبدیل مستقیم آن به ساختاری شیشه مانند را در شرایط آزمایشگاهی ثبت و رصد کنند.
فرارو- آب در دماهای انجماد رفتاری دوگانه از خود بروز میدهد و اینک پژوهشگران بینالمللی با بهرهگیری از فناوریهای پیشرفته نوترونی و شتابدهندههای ذرات، پرده از سازوکار پنهان دگرگونی آب مایع به جامد شیشهای برداشتهاند.
به گزارش فرارو به نقل از ساینس الرت، آب نزدیک به ۷۰ درصد از سطح سیاره زمین را میپوشاند و حدود ۶۰ درصد از جرم بدن انسان را تشکیل میدهد، با این حال از منظر قوانین فیزیک و شیمی، این ماده همچنان یکی از رازآلودترین و غیرعادیترین ترکیبات کیهان است.
آب همچون شخصیتی دوگانه رفتار میکند؛ در دماهای پایین به شکل آشنای کریستالهای منظم یخ درمیآید، اما تحت شرایطی خاص میتواند به پدیدهای موسوم به «آب شیشهای» بدل شود؛ شکلی جامد با ساختاری مولکولی کاملاً نامنظم، آمورف و فاقد شبکهبندی بلوری.
این وضعیت نامتعارف از آب در طبیعت نادر نیست؛ برای نمونه در ابرهای لایه استراتوسفر در مناطق قطبی زمین دیده میشود. علاوه بر این، موجودات سرمادوست نیز از همین پدیده بهره میبرند تا در دماهای استخوانسوز، مانع از تشکیل بلورهای تیز یخ و در نتیجه پارگی غشای سلولی خود شوند. با وجود اهمیت بنیادین، گذار آب از حالت مایع به شیشه همواره به دلیل سرعت بالای بلورینگی از دید ابزارهای رصدی پنهان مانده بود.
به طور طبیعی، زمانی که آب منجمد میشود، بلورهای سخت و منظمی پدید میآورد. این روند تا دمای حدود منفی ۴۵ درجه سانتیگراد رخ میدهد. در دماهای پایینتر از این مرز، دانشمندان با منطقهای تاریک و ناشناخته به نام «سرزمین ناکجاآباد ترمودینامیکی» روبرو میشوند که بررسی تجربی آن فوقالعاده دشوار است. فرضیات پیشین حاکی از آن بود که گذار شیشهای آب تودهای در حوالی دمای منفی ۱۳۵ درجه سانتیگراد به وقوع میپیوندد، اما شکلگیری اجتنابناپذیر بلورهای یخ مانع از مشاهده مستقیم این پدیده میشد.
بر اساس مقالهای که به تازگی در ژورنال معتبر «نیچر کامیونیکیشنز» منتشر شده، گروهی بینالمللی از پژوهشگران با الهام از ترفندهای طبیعی توانستهاند این سد دیرینه را بشکنند. فیزیکدانان مقادیر بسیار اندکی از آب به ضخامت تنها چند مولکول (کمتر از یکمیلیاردم متر) را میان دو لایه لیپیدی متشکل از مولکولهای چربی الکلی شفاف به نام «فیتانتریول» به دام انداختند.
این لایهها در سرما پایداری ساختاری و انعطافپذیری مایع خود را حفظ میکنند و مانع تشکیل شبکه کریستالی یخ میشوند. بدین ترتیب دانشمندان توانستند برای نخستین بار دگرگونی آب از فاز مایع به ساختار شیشهای را در بازه دمایی به مراتب گرمتر از پیشبینیهای قبلی به دقت مشاهده و ثبت نمایند.
این پروژه پژوهشی پیشگامانه به رهبری رافائل متزنگا از مؤسسه معتبر فناوری زوریخ و با همکاری دانشمندان سازمان علوم و فناوری هستهای استرالیا انجام شد. تیم پژوهشی ترکیبی از شبیهسازیهای رایانهای پیشرفته و پرتوهای ذرات با دقت اتمی را به کار گرفتند. در این آزمایشها از خط پرتو پراکندگی پرتو ایکس در زوایای کوچک و بزرگ (SAXS/WAXS) متعلق به شتابدهنده ذرات سنکروترون آنستو استفاده شد تا ساختار هندسی مولکولهای محبوس در غشای لیپیدی نقشه برداری شود.
همزمان، دو طیفسنج نوترونی پیشرفته با نامهای «ایمو» و «پلیکان» ارتعاشات پیوندهای هیدروژنی را آشکار کردند. آلیس کلاپروت، کارشناس ابزار دقیق طیفسنج ایمو در آنستو، توضیح داد: «سیگنالهای نوترونی ثبتشده عمدتاً از حرکت اتمهای هیدروژن منشأ میگیرند. این تمایز فنی به ما اجازه داد پویایی حرکتی مولکولهای آب را حتی در عمق یک ماتریس پیچیده نرم به صورت اختصاصی اندازهگیری کنیم.»
دادههای به دست آمده نشان داد تحول شیشهای آب در گستره زمانی شگفتانگیزی شامل شش مرتبه بزرگی، از میکروثانیه تا پیکوثانیه، رخ میدهد. کاهش چشمگیر تحرک مولکولی نخست در بازه منفی ۲۱ تا منفی ۳۵ درجه سانتیگراد آغاز میشود و آب به کندی گرایش مییابد. سپس، گذار استاتیک ساختار به حالت شیشهای کامل و بینظم میان دمای منفی ۶۴ تا منفی ۷۴ درجه سانتیگراد تکمیل میگردد. در نهایت، با سقوط بیشتر دما، این لایه شیشهای همانند قطعهای ترد و آبنباتی شروع به ترک برداشتن میکند.
این دستاورد فراتر از گرهگشایی از یکی از بنیادیترین رازهای فیزیک ماده، مسیر را برای تحولات بزرگ صنعتی و زیستپزشکی هموار میسازد. پژوهشگران تأکید دارند این یافتهها کاربرد مستقیمی در پدیدههای مرتبط با آب در مقیاس نانو و فوق سرد دارند؛ از جمله ارتقای فناوری انجماد بافتها و اندامهای پیوندی بدون آسیب سلولی و بهبود روشهای انجماد عمیق مواد غذایی و دارویی. اکنون باید دید آیا این گام علمی میتواند ذخیرهسازی نمونههای زیستی را دگرگون کند و کیفیتی نوین برای تولید محصولات شگفتانگیز رقم بزند.
