۸ راز شگفت‌انگیز درباره آب؛ از یخ‌های فضایی تا معمای آب فلزی

عصر ایران - ما چه اطلاعاتی در مورد آب داریم؟ آب مایع است، شفاف است! از باران آن را می‌گیریم، بخار می‌شود، دانه‌های برف و یخ را می‌سازد. اما همه موارد به این سادگی نیستند و نکات بسیاری وجود دارند که هنوز اطلاعاتی در مورد آن‌ها نداریم. آب سومین مولکول از نظر تعداد در کره‌ی زمین است. اما برخلاف عقیده‌ی بسیاری که آن را مولکولی ساده تصور می‌کنند، آب پیچیدگی‌هایی نیز دارد که به 8 مورد از آن‌ها اشاره می‌کنیم.

۱. تنوع شگفت‌انگیز یخ؛ چند نوع یخ داریم؟

۱۷ نوع کریستال یخ تا به امروز شناخته شده است. اما در طبیعت فقط یک نوع از این کریستال‌ها وجود دارد که یخ Ih نام دارد و بقیه‌ی انواع کریستال‌های آب در آزمایشگاه‌ها ساخته شده‌ و یا در لایه‌های بالاتر هوایی کره‌ی زمین قرار دارند.

دومین نوع کریستال یخ که Ic نام دارد در لایه‌های بالایی اتمسفر وجود دارد و بقیه‌ی ۱۵ نوع دیگر برای تشکیل نیاز به فشار بسیار بالا دارند. همچنین مقدار زیادی آب در فضای بین ستارگان وجود دارد که البته شکل نامنظم و غیر کریستالی دارند و «یخ شیشه‌ای» هستند.

مقایسه انواع شناخته شده یخ در جهان

۲. آیا دو نوع آب مایع داریم؟

چندین سال قبل، دانشمندان ژاپنی ادعا کرده بودند که شاهد تغییر دو فاز یخ بی‌نظم در فشار بالا بوده‌اند. می‌دانیم که یخ‌های بی‌نظم در واقع تصویر آنی شکل متناظر حالت مایع هستند که جامد شده است؛ پس اگر این ادعا صحیح باشد باید دو نوع آب وجود داشته باشد: یک نوع آب عادی با چگالی کم و دیگری حالت فشرده با چگالی بالا.

شبیه‌سازی‌های جدید از این ادعا پشتیبانی می‌کنند. دانشمندان تبدیل آب مایع از فازی به فاز دیگر را در دماهای فوق‌سرد مشاهده کردند. با این وجود، برخی دیگر از دانشمندان مخالف هستند و می‌گویند این نتایج مصنوعی هستند و چنین انتقال فازی براساس قوانین مکانیک آماری غیرممکن است. این بحث همچنان یکی از جذاب‌ترین چالش‌های فیزیک کوانتومی آب است.

۳. معمای تبخیر؛ آب چگونه بخار می‌شود؟

نرخ تبخیر آب مایع یکی از مشکلات اساسی در مدل کردن شرایط آب و هوایی است؛ زیرا اندازه‌ی قطرات آب در ابرها را تعیین می‌کند که می‌توانند میزان بازتاب یا جذب نور را مشخص کنند. اما مکانیزم بخار شدن آب را به طور دقیق نمی‌دانیم.

در تحقیقات جدید، ضریب تبخیر عددی بین ۰.۶ تا ۱ بدست آمده است. یک چالش بزرگ در این زمینه «موج مویی» است؛ شبیه‌سازی‌ها می‌گویند تبخیر به موج بزرگی بر روی سطح آب بستگی دارد که پیوند هیدروژنی را می‌شکند. نکته عجیب اینجاست که طبق تئوری، افزایش نمک باید با افزایش تنش سطحی نرخ تبخیر را کاهش دهد، اما آزمایش‌های تجربی نشان می‌دهند که افزودن نمک تأثیر بسیار ناچیزی بر این فرآیند دارد.

۴. سطح آب مایع؛ اسیدی است یا بازی؟

موردی شگفت‌انگیز در اطراف آبشار نیاگارا وجود دارد: هر قطره طوری حرکت می‌کند که گویا بار منفی دارد. برای مدت طولانی، این مشاهده را گواهی بر تجمع هیدروکسید (بار منفی) بر روی سطح قطره‌ها می‌دانستند که نشان از سطح بازی با PH بالای ۷ بود.

اما آزمایش‌ها و محاسبات جدید نشان ‌می‌دهند که بر خلاف عقاید موجود، تعداد یون‌های مثبت هیدروژن در سطح آب بیشتر از بارهای منفی هستند. یعنی سطح قطره‌ی آب بار مثبت دارد که باعث ایجاد محیط اسیدی و PH زیر ۷ می‌شود. از آنجا که بسیاری از فرایندهای زیست‌شناسی به PH سطح بستگی دارند، این کشف می‌تواند نگاه ما را به تعاملات سلولی تغییر دهد.

۵. آب در ابعاد نانو؛ ظهور ماهیت کوانتومی

وقتی آب در فضاهایی در حد نانو (که شاید چند صد مولکول را جا می‌دهد) محدود شود، رفتارهای متفاوتی از خود بروز می‌دهد. آزمایش‌های تجربی و محاسبات نشان می‌دهند که آب محدود شده توسط دیواره‌های جامد، اثرات مکانیک کوانتومی مانند «نامترکز شدن الکترونی» و «چسبندگی کوانتومی» از خود نشان می‌دهد.

ویژگی‌های این آب با آب معمولی تفاوت بسیاری دارد. شناخت این پدیده می‌تواند در آینده منجر به ساخت سیستم‌های نمک‌زدایی و تصفیه آب با بازدهی خیره‌کننده شود، چرا که آب در مقیاس نانو با اصطکاک بسیار کمتری جریان می‌یابد.

۶. یخ سوپریونیک؛ ماده‌ای که همزمان جامد و مایع است!

یکی از عجیب‌ترین حالت‌های ماده که در سال‌های اخیر در آزمایشگاه‌های فوق‌پیشرفته (با شبیه‌سازی فشار مرکز سیاراتی مثل نپتون) ثابت شد، یخ سوپریونیک است. در این حالت، اتم‌های اکسیژن منجمد شده و یک شبکه‌ی بلوری جامد می‌سازند، اما اتم‌های هیدروژن مانند یک مایع در میان این شبکه به راحتی جریان دارند. این یعنی با نوعی از آب روبرو هستیم که هم ویژگی‌های جامد را دارد و هم مایع؛ ماده‌ای سیاه‌رنگ و داغ که درک ما از حالت‌های ماده را دگرگون کرده است.

۷. حافظه آب؛ آیا مولکول‌ها اطلاعات را حفظ می‌کنند؟

بحث حافظه آب همیشه جنجالی بوده است، اما تحقیقات جدید در حوزه‌ی بیوفیزیک، دوباره نگاه‌ها را به این سمت برگردانده است. مطالعات روی «خوشه‌های آبی» (Water Clusters) نشان می‌دهد که به دلیل شبکه‌ی پیچیده‌ی پیوندهای هیدروژنی، آب می‌تواند ساختار هندسی خاصی را که در اثر تماس با مولکول‌های دیگر ایجاد شده، برای مدت بسیار کوتاهی (در حد پیکوثانیه) حفظ کند. اگرچه حافظه بلندمدت آب هنوز اثبات نشده، اما مشخص شده که آب بسیار فراتر از یک حلال ساده عمل می‌کند و به محیط اطراف خود «پاسخ» می‌دهد.

۸. آب فلزی؛ وقتی آب رسانای الکتریسیته می‌شود

در شرایط عادی، آب خالص رسانای خوبی برای برق نیست، اما دانشمندان کشف کرده‌اند که تحت فشار فوق‌العاده زیاد، آب می‌تواند مثل یک فلز عمل کند. در این حالت، اوربیتال‌های الکترونی مولکول‌ها به قدری به هم نزدیک می‌شوند که الکترون‌ها می‌توانند آزادانه حرکت کنند. این کشف نشان می‌دهد که در اعماق سیارات غول‌پیکر گاز، ممکن است اقیانوس‌هایی از «آب فلزی» وجود داشته باشد که میدان مغناطیسی عظیم آن سیارات را تولید می‌کنند.

چرا هنوز آب را به طور کامل نمی‌شناسیم؟

شاید بپرسید با این همه پیشرفت علم، چرا هنوز سوالات بی‌جوابی درباره آب وجود دارد؟ پاسخ در «سرعت» نهفته است.

پیوندهای هیدروژنی که مولکول‌های آب را به هم متصل می‌کنند، با سرعتی باورنکردنی (در حد فمتوثانیه - یعنی یک میلیاردمِ یک میلیونیمِ ثانیه) مدام می‌شکنند و دوباره تشکیل می‌شوند. دوربین‌ها و ابزارهای اندازه‌گیری ما هنوز به قدر کافی سریع نیستند که بتوانند از تمام حرکات و تغییر فازهای لحظه‌ای این مولکول «عکس‌برداری» کنند. در واقع، ما در حال مطالعه‌ی موجودی هستیم که قبل از اینکه بتوانیم نگاهش کنیم، شکل خود را هزاران بار تغییر داده است!

آیا می‌دانستید؟

برخلاف اکثر مواد جهان، آب در هنگام انجماد به جای انقباض، منبسط می‌شود. این ویژگی که به «آنومالی آب» معروف است، باعث می‌شود یخ روی آب بماند. اگر این ویژگی نبود، اقیانوس‌ها از کف منجمد می‌شدند و حیات در کره زمین هرگز شکل نمی‌گرفت!

بیشتر بخوانید:

هم مایع هم یخ؛ کشف حالتی عجیب از آب در مقیاس نانو

تماشاخانه

ببینید یکی از جنایتکارترین آدم‌های دنیا چه سرنوشتی داشت / سلطان تونل‌ها و مخفیگاه‌های زیرزمینی چگونه عجیب‌ترین فرار دنیا از زندان را انجام داد

وقتی پلنگ‌ها به روستا می‌آیند... این خبر خیلی بد است

فیلم های دیگر