کشش کوانتومی آب

آب رفتارهای عجیبی دارد و مطالعات جدید از جمله اولین مشاهدات از کشش کوانتومی آن امکان دارد به ارائه توضیحات پیرامون این راز کمک کند.

آب بیش از نیمی از بدن انسان را تشکیل می دهد و حدود ۷۰ درصد از سطح زمین را پوشانده است، ولی هنوز چیزهای زیادی در خصوص آب وجود دارد که ما از علت آنها بی خبریم.

دانشمندان با استفاده از ابزارهای پیشرفته برای مطالعه جت ها یا فواره های میکروسکوپی مایع، ملکول های آب را در حال هل دادن و کشیدن یکدیگر در چیزی که بعنوان ” کشش کوانتومی”( quantum tug) توصیف شده است، مشاهده کردند. این پدیده ای است که تاکنون به صورت مستقیم مشاهده نشده بود و امکان دارد به توضیح برخی از رفتارهای عجیب آب کمک کند.

این تحقیقات پیشگامانه توسط دانشمندان دانشگاه” استنفورد” و دانشگاه” استکهلم” انجام شد و آن ها به دنبال کشف نیروهایی بودند که ملکول های آب را در کنار هم نگه می دارند.

در هر مولکول آب یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن وجود دارد. اتم های هیدروژن دارای بار مثبت در یک مولکول به اتم های اکسیژن با بار منفی در مولکول دیگر جذب میشوند که این امر باعث اتصال مولکول های آب به یکدیگر می شود.

آب دارای خواص عجیبی است که آنرا از بسیاری مایعات دیگر متمایز می کند و بسیاری از قوانین مربوط به آنچه مایعات باید آنگونه رفتار کنند را زیر پا می گذارد. به طورمثال یک تکه کره جامد روی لیوانی از کره ذوب شده شناور نمی ماند، ولی وقتی چند تکه یخ را در یک لیوان آب بریزید، روی آب می ماند. آب همینطور کشش سطحی فوق العاده ای را ایجاد می کند که حشرات را قادر می سازد تا روی سطح آن بایستند و از روی آن عبور کنند و همچنین توانایی خوبی در ذخیره گرما و ثابت نگه داشتن دمای اقیانوس دارد.

دانشمندان بر این باورند که درک بهتر پیوندهای هیدروژنی بین مولکول ها میتواند به توضیح این خواص عجیب کمک کند و نویسندگان این مطالعه جدید گام مهمی در این راستا برداشته اند.

جی یانگ سرپرست این مطالعه می گوید:برای مدتی طولانی، پژوهشگران در تلاش بودند تا شبکه پیوند هیدروژنی را با استفاده از تکنیک های طیف سنجی درک کنند. زیبایی این آزمایش این است که ما برای نخستین بار توانستیم نحوه حرکت این مولکول ها را مستقیماً مشاهده کنیم.

دلیل دشواریِ مشاهده کشش کوانتومی آب این است که حرکت پیوندهای هیدروژنی بسیار سریع و بسیار ظریف است. اما دانشمندان با استقرار یک” دوربین الکترونی” با سرعت بالا ، که از پرتوی قدرتمندی از الکترون ها استفاده می کند و حرکات مولکولی بسیار ظریف را آشکار می کند، پیوندهای هیدروژنی را در حین حرکت رصد کردند.

این آزمایشات شامل جت های بسیار ریز آب با ضخامت ۱۰۰ نانومتر یا حدود ۱۰۰۰ بار نازک تر از یک تار موی انسان بود که نور مادون قرمز به آن شلیک شده و باعث لرزش مولکول های آب شد. سپس از دوربین الکترونی برای ایجاد عکس های با وضوح بالا از اتم های در حال تغییر درون مولکول های آب استفاده شد که نحوه تعامل آنها را نشان داد.

هنگامی که مولکول های برانگیخته آب شروع به ارتعاش می کنند، اتم های هیدروژن شروع به کشیدن اتم های اکسیژن در مولکول های همسایه می کنند و آنها را به هم نزدیک می کنند و سپس با قدرت بیشتر آنها را دفع می کنند. این عمل که به عنوان ” کشش کوانتومی” توصیف می شود، فضای بین مولکول ها را گسترش می دهد.

آندرس نیلسون از محققان این مطالعه می گوید:اگرچه این اثر به اصطلاح” کوانتومی هسته ای” مسئول بسیاری از خواص عجیب آب است، اما این آزمایش اولین بار است که به طور مستقیم آن را مشاهده می کند. سوال این است که آیا این اثر کوانتومی می تواند حلقه مفقوده در مدل های نظری باشد که ویژگی های عجیب آب را توصیف می کنند؟

دانشمندان امیدوارند از این روش برای درک بهتر خواص غیر معمول آب استفاده کنند. این کار می تواند منجر به درک بهتر نه تنها خود آب، بلکه نقش آن در موجودات زنده شود.

شیجی وانگ از محققان این مطالعه می گوید:این مطالعه واقعاً پنجره جدیدی را رو به مطالعه آب باز کرده است. اکنون که سرانجام شاهد حرکت پیوندهای هیدروژنی هستیم، می خواهیم این حرکات را با تصویر گسترده تری مرتبط کنیم که می تواند چگونگی منجر شدن آب به بقای حیات بر روی زمین را آشکار کند و همچنین توسعه روش های انرژی تجدیدپذیر را به همراه داشته باشد.

این تحقیق در مجله Nature منتشر شده است.