آبی که یخ میشود، اما شبیه یخ رفتار نمیکند؛ آب در فضاهای بسیار کوچک میتواند قوانین جدیدی دارد!
تصور کنید یک قطره آب را درون لولهای بهاندازهای باریک قرار دهید که قطر آن تنها چند میکرومتر باشد؛ یعنی چند میلیونیم متر. حالا این آب را در دمای معمولی نگه دارید و حتی تا حدود ۹۰ درجه سانتیگراد گرم کنید. انتظار دارید آب مثل همیشه جاری شود. اما در آزمایش جدید، چنین اتفاقی نیفتاد.
پژوهشگران نشان دادهاند آب درون لولههای بسیار ریز سیلیکا میتواند به حالتی برسد که از نظر شکل و رفتار مکانیکی شبیه یک ماده جامد باشد، اما ساختار بلوری یخ معمولی را نداشته باشد. این حالت حتی در دمای اتاق و در بازهای از منفی ۲۰ تا مثبت ۹۰ درجه سانتیگراد پایدار مانده است.
آب هست، اما دیگر روان نیست
آب معمولی را میتوان بهسادگی در یک ظرف ریخت. اگر ظرف را کج کنیم، آب حرکت میکند و شکل ظرف را میگیرد.
اما پژوهشگران در این آزمایش با چیزی متفاوت روبهرو شدند. آب داخل لولههای سیلیکا، وقتی از لوله خارج و با ابزارهای بسیار دقیق بررسی شد، شکل خود را حفظ کرد و مانند یک مایع معمولی فوراً جاری نشد.
حتی دانشمندان توانستند بخشهایی از آن را با استفاده از یک پرتو یونی برش دهند و شکلهایی ایجاد کنند؛ رفتاری که بیشتر از یک مایع، به یک ماده جامد شباهت دارد.
این ماده یخ معمولی نیست
بررسیهای انجامشده با روشهایی مانند طیفسنجی رامان، مادونقرمز و تشدید مغناطیسی هستهای نشان داد که مولکولهای آب در این حالت، حرکت بسیار محدودتری نسبت به آب معمولی دارند.
از طرف دیگر، بررسی ساختار آن با پراش الکترونی نشانهای از ساختار بلوری منظم یخ معمولی نشان نداد. به همین دلیل پژوهشگران این حالت را بیشتر یک آب جمادگونه و بیشکل توصیف میکنند، نه نوع معمول یخ بلوری.
راز ماجرا در یک لوله فوقالعاده
به گزارش Nature پژوهشگران دریافتند سطح داخلی این لولههای بسیار کوچک، گروههای شیمیایی خاصی به نام سیلانول (SiOH) دارد. این گروهها میتوانند با مولکولهای آب پیوندهای هیدروژنی ایجاد کنند.
وقتی قطر لوله بهاندازه کافی کوچک میشود، تعداد این برهمکنشهای سطحی نسبت به حجم آب بسیار مهم میشود. در نتیجه حرکت مولکولهای آب محدود شده و شبکهای از پیوندها شکل میگیرد که به ایجاد حالت جمادگونه کمک میکند. به زبان سادهتر، آب در یک فضای خیلی کوچک دیگر همان آبی نیست که داخل یک لیوان میبینیم.
رفتار عجیب در آزمایش
پژوهشگران لولههایی با قطرهای مختلف را آزمایش کردند و متوجه شدند یک محدوده مهم وجود دارد. وقتی قطر داخلی لوله به حدود ۲ تا ۵ میکرومتر میرسد و کوچکتر میشود، رفتار آب از حالت مایع گونه به حالت جمادگونه تغییر میکند. در لولههای بزرگتر، آب رفتار معمولتری دارد. این یعنی اندازه فضا در مقیاس میکروسکوپی میتواند ویژگیهای مادهای به آشنایی آب را تغییر دهد.
یکی از جذابترین بخشهای آزمایش همینجاست. این آب جمادگونه در آزمایشها در دماهای مختلف، از منفی ۲۰ تا مثبت ۹۰ درجه سانتیگراد، شکل خود را حفظ کرد. همچنین نمونهای از آن که ضخامتش حدود ۱۰۰ نانومتر بود، پس از ۵۴ روز همچنان شکل جمادگونه خود را حفظ کرده بود.
منبع: همشهری
