حدود 70 درصد از سطح زمین را پوشش می دهد و تقریباً 60 درصد از جرم بدن ما را شامل می شود، اما آب از نظر علمی غیرعادی است.
مانند جکیل و هاید آب، آب در دمای پایین متبلور می شود و شکل آشنای یخ را به خود می گیرد. یا می تواند به “آب شیشه ای” با ساختار مولکولی بی شکل و درهم تبدیل شود.
این شکل عجیب آب در ابرهای استراتوسفر در آب و هوای قطبی یافت می شود. همچنین به ارگانیسم های سرمادوست (روان دوست) کمک می کند تا از آسیب سلولی ناشی از کریستال های یخ در دمای خنک کننده استخوان جلوگیری کنند.
با این حال، تبدیل آب از مایع به شیشه تا حد زیادی از تکنیک های رصدی پنهان مانده است.
وقتی آب یخ می زند، معمولاً کریستال های یخی را تشکیل می دهد که در یک ساختار سفت و سخت به هم قفل می شوند. این اتفاق در دمای پایین -45 درجه سانتیگراد (49- درجه فارنهایت) رخ می دهد – که در زیر آن یک بیابان گرمایی وسیع و ناشناخته قرار دارد که توسط دانشمندان به عنوان “سرزمین هیچکس” نامیده می شود.
تصور می شد که انتقال آب حجیم به حالت شیشه ای در حدود -135 درجه سانتیگراد رخ می دهد، اما یخ کریستالی تلاش محققان را برای رسیدن به این شکاف شیشه ای تیره کرده است.
در یک مطالعه جدید، دانشمندان این مشکل را با به دام انداختن آب در یک ماتریس با الهام از ترفندهای خود طبیعت حل کردند و متوجه شدند که در تمام طول مدت تغییر شکل شیشه ای آب در مه تبلور را از دست داده اند.
نوشتن در ارتباطات طبیعتفیزیکدانان مقادیر بسیار کمی آب – فقط چند مولکول ضخامت یا کمتر از یک میلیاردم متر – را بین دو لایه چربی ساخته شده از یک نوع “شفاف” خاص فیتانتریول، یک مولکول الکل چرب که در رژیم های حرارتی سرد از نظر ساختاری پایدار و مایع باقی می ماند، به دام انداختند.
بنابراین به دام افتاده، از متبلور شدن آب با کاهش دما جلوگیری می‌شود و به محققان این امکان را می‌دهد تا انتقال آب از مایع به شیشه را با جزئیات چشمگیر دنبال کنند.
با کمال تعجب، آنها دریافتند که این تبدیل شیشه ای در محدوده دمایی بسیار بزرگتر و بالاتر از آنچه قبلا تصور می شد رخ می دهد.
برای ردیابی رفتار آب در مقیاس‌های زیر نانومتری، تیمی از فیزیکدانان به رهبری رافائل مززنگا در ETH زوریخ با همکاری دانشمندان سازمان علوم و فناوری هسته‌ای استرالیا (ANSTO)، مدل‌های محاسباتی را با طیف وسیعی از تکنیک‌های کاوشگر اتمی پیشرفته ترکیب کردند.
یکی از مسیرهای رصدی از پرتو پرتو ایکس با زاویه دید کوچک ANSTO (SAXS/WAXS) برای ترسیم ساختار آب به دام افتاده در ماتریس لیپیدی در دماهای مختلف با استفاده از پرتوهای ایکس بسیار درخشان تولید شده در یک سنکروترون یا شتاب دهنده ذرات استفاده می کند.
این تیم همچنین از دو طیف‌سنج به نام‌های Emu و Pelican در مرکز پراکندگی نوترون استرالیا برای تشخیص ارتعاشات مولکولی و آشکار کردن حرکت اتم‌های هیدروژن در نمونه استفاده کردند.
آلیس کلاپروت، دانشمند ANSTO برای طیف‌سنج Emu توضیح می‌دهد: «سیگنال نوترونی که توسط دستگاه ما شناسایی می‌شود، تحت تأثیر حرکات اتم‌های هیدروژن در آب است.
این به ما امکان می‌دهد تا دینامیک آب را حتی زمانی که آب در یک ماتریس نرم پیچیده محبوس شده است را به طور انتخابی اندازه‌گیری کنیم.
به طور کلی، محققان کاهش سرعت در دینامیک آب محدود را یافتند که در محدوده شگفت‌انگیز بزرگی از -63 تا -20 درجه سانتیگراد رخ می‌دهد. تغییری که آنها بیش از شش مرتبه قدر زمانی، از میلیونم به تنها تریلیونم ثانیه، بررسی کردند.
به طور خاص، یک تغییر چشمگیر در دینامیک مولکولی در حدود 35- تا 21- درجه سانتیگراد رخ می دهد زیرا عمل جنبشی مولکول های آب کند می شود. و انتقال ساختار شیشه ای استاتیک بین 74- تا 64- درجه سانتیگراد رخ می دهد زیرا آب به حالت شیشه ای و جامد درهم می رود.
سپس زمانی که جیوه واقعاً در حال سقوط است و مانند یک صفحه یخی بیگانه از بادام زمینی شکننده شروع به ترک خوردن می کند.
این تحقیق علاوه بر روشن کردن پویایی یک ماده روزمره اما همچنان معمایی، ممکن است به کاربردهای عملی منجر شود.
محققان نتیجه می‌گیرند: «به‌طور کلی‌تر و فراتر از جنبه‌های کاملاً بنیادی، یافته‌های ما پیامدهای فوری و گسترده‌تری برای همه پدیده‌های فیزیکی مربوط به آب‌های نانومحصور برودتی، مانند انجماد مواد بیولوژیکی و انجماد عمیق مواد غذایی، برای نام بردن چند نمونه دارد.»
مطالب مرتبط: دانشمندان یخ را داغتر از گدازه در آزمایشگاه ساختند
با این حال، اینکه آیا چنین کاربردهایی می‌تواند منجر به بهبود در بازیابی بافت‌های حفظ شده یا ایجاد یک نوع بستنی صاف انقلابی شود، باید دید.
این تحقیق در ارتباطات طبیعت.
این مقاله توسط کلر واتسون تصحیح و توسط کلر واتسون ویرایش شده است. در حالی که ما به روند خود افتخار می کنیم، ما فقط انسان هستیم. اگر خطایی را مشاهده کردید، لطفاً به ما اطلاع دهید.
