پژوهشگران به تازگی توانسته‌اند آب را بدون سرد کردن به حالت جامد و یخ‌زده دربیاورند. به جای سرد کردن آب، مولکول‌های آب را وادار کرده‌اند تا فضای بیشتری اشغال کنند که کمتر از یک میلیونیم میلیمتر از فضای قبلی بزرگ‌تر است. این آزمایش‌ها را یک گروه بین رشته‌ای از دانشمندان و مهندسان در پرینستون با هم انجام داده‌اند. البته این کار فقط یک سرگرمی بامزه نیست بلکه می‌تواند به فهم عمیق‌‌تر ما از رفتار لایه‌های نازک آب در فضاهایی با اندازه‌های نانومتری منجر شود.در نتیجه این بینش جدید ممکن است تعداد زیادی از پروژه‌های علمی مثل گسترش منابع جدید انرژی، منابع دارویی و سطوح خود تمیزشونده پیشرفت‌های جدی داشته باشند. آب خصوصیات فیزیکی عجیب و جالب توجهی دارد و به همین خاطر هم از زمان‌های دور همیشه مورد توجه بوده است. مثلا آب با سرد شدن منبسط می‌شود (عکس بقیه مواد) یا وقتی تحت فشار قرار می‌گیرد شارش آن آسان‌تر می‌شود. مدت‌های زیادی است این رفتارهای آب در ابعاد بزرگ مورد مطالعه قرار گرفته‌اند اما در ابعاد نانو خواص آب و تبدیل حالت آن بین گاز و مایع و جامد کاملا ناشناخته بوده است.
پابلو دبندتی، معاون بخش مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه پرینستون و یکی از اعضای تیم پژوهشی که روی این موضوع کار کرده‌اند، در این‌باره می‌گوید: «این پژوهش فرض جدیدی را مطرح می‌کند. بر مبنای این فرض اگر اثر محدود کردن ماده و واکنش آن نسبت به یک سطح را به خوبی بفهمیم، می‌توانیم تغییر حالت مواد را کنترل کنیم».
علاوه بر پابلو دبندتی، تیم پژوهشی از دو نفر دیگر هم تشکیل شده است؛ نیکولاس جووامباتیستا که قبلا فیزیکدان و پژوهشگر پست دکترا در پرینستون بوده و در حال حاضر در کالج بروکلین در دانشگاه نیویورک مشغول به کار است و دیگری پیتر راسکی، شیمیدانی که در دانشگاه تگزاس‌آستین مشغول کار است. این گروه نتایج کار تحقیقاتی خود را در 18 بهمن در مجله Physical Review Letters به چاپ رساندند. این کار بخشی از تلاش‌های در حال انجام است برای مطالعه روی این موضوع که چگونه محدود کردن ماده در ابعاد فضاهای نانومتری بر رفتار حلال‌هایی که اساس‌شان آب است اثر می‌گذارد. یک دسته از این حلال‌ها آنهایی هستند که مولکول‌های زنده در خودشان دارند. حامی مالی این طرح تحقیقاتی بنیاد ملی علوم در آمریکاست.
این پژوهشگران در انجام کار خود از شبیه‌سازی کامپیوتری استفاده کردند تا بفهمند مولکول‌های آب که بین دو دیواره فرضی گیر افتاده باشند چگونه حرکت می‌کنند. دیواره‌ها در این شبیه سازی هایدروفوبیک یا آب گریز بودند، به این معنی که آنها با مولکول‌های آب مثل سطح برگ رفتار و آن را دفع می‌کردند.همان طور که احتمالا دیده‌اید قطرات آب روی سطح برگ پخش نمی‌شوند و به آن نمی‌چسبند بلکه از روی آن لیز می‌خورند. وقتی فاصله دو دیواره به اندازه‌ای بود که حدودا سه مولکول آب بین آن دو قرار می‌گرفت، شبیه‌سازی حالت جدیدی از ماده را نشان می‌داد که تاکنون شناخته نشده بود: یک لایه از آب در حالت سیال که بین دو لایه دیگر از آب یخ زده چسبیده به دیواره‌ها قرار گرفته بود. هر کدام از لایه‌ها تنها به اندازه یک مولکول ضخامت داشتند و در دنیای شبیه سازی شده در دمای اتاق قرار گرفته بودند.
این حالت از آب که یخ‌زدگی بین دو لایه نامیده شده در تمام مدت شبیه سازی که تقریبا دو نانوثانیه (هر نانو ثانیه یک میلیاردم ثانیه است) دوام آورد. هر چند ممکن است این مقدار با بعضی استانداردها کوتاه به نظر بیاید اما برای کار کردن یک شبیه‌سازی زمان طولانی‌ای است که نشان می‌دهد این لایه‌ها با وجودی که لایه میانی‌شان یخ نزده است، می‌توانند در شرایط پایدار، یخ‌زده باقی بمانند. اما وقتی چگالی سیستم کم شد فاز سه لایه‌ای تبدیل به دو لایه سیال گردید البته در این حالت هم هنوز ماده دردمای اتاق قرار داشت.
ایگن استنلی، استاد و رئیس مرکز مطالعات پلیمر در دانشگاه بوستون درباره این کار پژوهشی می‌گوید: «از جهت روش‌شناسی، این کار نمونه جالبی است که در آن می‌توانیم رفتار فاز مختلط را به شکل سیستماتیک و به کمک قدرت شبیه‌سازی کامپیوتری مشاهده و بررسی کنیم. از نگاه پدیدارشناسی نیز یافته‌های این گروه بسیار درخور توجه و برجسته است. به طور خاص خیلی هیجان‌انگیز است که ببینیم یک سیستم سه لایه‌ای با دو لایه یخ‌زده که یک لایه مایع میانی را در بر گرفته‌اند، می‌تواند پایدار باقی بماند.جالب است که این اثر یک جور محدود کردن ماده در ابعاد نانو است».
دبندتی، یکی از پژوهشگران این طرح، اشاره کرده است که بالا رفتن اطلاعات و درک ما از رفتار بنیادی آب وقتی بین صفحات محصور می‌شود، می‌تواند کاربردهای فراوانی داشته باشد. به عنوان مثال در باتری‌های هیدروژنی که تلاش می‌شود برای اتومبیل‌ها و ایستگاه‌های تولید برق استفاده شوند، الکتریسیته با عبور یون‌های هیدروژن از یک غشا تولید می‌شود که در آن مولکول‌های آب در کانال‌هایی در ابعاد نانو گیر افتاده‌اند. دبندتی فکر می‌کند این یکی از مواردی است که درک اتفاقاتی که در سطح مولکولی می‌افتد کاربردهای عملی قابل توجهی خواهد داشت. نتایج این کار پژوهشی ممکن است به یافتن جواب این سوال هم کمک کند که چگونه سطوح مختلف را می‌توان برای اثرگذاری بر رفتار آب به تنهایی و مخلوط آب با مواد دیگر به کار برد. این اطلاعات ممکن است روزی منجر به تکمیل و توسعه روش‌های جدید و نوآورانه‌ای برای تهیه سوخت‌های زیستی شوند. یکی از مشکلات مربوط به چنین سوخت‌هایی نظیر اتانول، این است که چون این سوخت‌ها از گیاهان به وجود آمده‌اند مقداری آب در خود دارند.
اگر بتوانیم سطوحی بسازیم که بتوانند با آب و اتانول رفتارهای متفاوتی کنند، ممکن است بتوانیم روش جدیدی برای جدا کردن آب از اتانول ابداع کنیم. سالواتوره تورکاتو، استاد شیمی در موسسه تحقیقاتی علوم و تکنولوژی‌های مواد پرینستون می‌گوید: «از آنجا که در بیشتر پدیده‌های زیستی با مولکول‌های آب که جایی محصور شده و گیر افتاده‌اند طرف هستیم، شاید بیشترین کاربرد این اطلاعات در فهمیدن فرآیندهای زیستی باشد. به عنوان مثال این احتمال وجود دارد که این اطلاعات به ساخت داروهای جدید بینجامد». هرچند این کاربردهای احتمالی وسوسه برانگیز هستند، اما دبندتی هشدار می‌دهد هیچ شبیه‌سازی‌ای نمی‌تواند به جای بازنمایی دقیق واقعیت قلمداد شود. در هر حال این گروه توانسته نگاه جدیدی به رفتار مولکولی آب داشته باشد و راه را برای پژوهش‌های بیشتر و گسترده‌تر باز کند. در گام‌های بعدی، پژوهشگران قصد دارند اثر تغییر شرایط در شبیه‌سازی را بر رفتار آب بررسی کنند. این تغییر شامل به کار بردن دیواره‌های فرضی‌ای می‌شود که کاملا صاف و صیقلی نیستند، دما در آنها تغییر می‌کند و از آبی در شبیه‌سازی استفاده می‌کنند که مواد محلول مثل نمک در خود داشته باشد. فریزرها را فراموش کنید!
پژوهشگران به تازگی توانسته‌اند آب را بدون سرد کردن به حالت جامد و یخ‌زده دربیاورند. به جای سرد کردن آب، مولکول‌های آب را وادار کرده‌اند تا فضای بیشتری اشغال کنند که کمتر از یک میلیونیم میلیمتر از فضای قبلی بزرگ‌تر است. این آزمایش‌ها را یک گروه بین رشته‌ای از دانشمندان و مهندسان در پرینستون با هم انجام داده‌اند. البته این کار فقط یک سرگرمی بامزه نیست بلکه می‌تواند به فهم عمیق‌‌تر ما از رفتار لایه‌های نازک آب در فضاهایی با اندازه‌های نانومتری منجر شود.در نتیجه این بینش جدید ممکن است تعداد زیادی از پروژه‌های علمی مثل گسترش منابع جدید انرژی، منابع دارویی و سطوح خود تمیزشونده پیشرفت‌های جدی داشته باشند. آب خصوصیات فیزیکی عجیب و جالب توجهی دارد و به همین خاطر هم از زمان‌های دور همیشه مورد توجه بوده است. مثلا آب با سرد شدن منبسط می‌شود (عکس بقیه مواد) یا وقتی تحت فشار قرار می‌گیرد شارش آن آسان‌تر می‌شود. مدت‌های زیادی است این رفتارهای آب در ابعاد بزرگ مورد مطالعه قرار گرفته‌اند اما در ابعاد نانو خواص آب و تبدیل حالت آن بین گاز و مایع و جامد کاملا ناشناخته بوده است.
پابلو دبندتی، معاون بخش مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه پرینستون و یکی از اعضای تیم پژوهشی که روی این موضوع کار کرده‌اند، در این‌باره می‌گوید: «این پژوهش فرض جدیدی را مطرح می‌کند. بر مبنای این فرض اگر اثر محدود کردن ماده و واکنش آن نسبت به یک سطح را به خوبی بفهمیم، می‌توانیم تغییر حالت مواد را کنترل کنیم».
علاوه بر پابلو دبندتی، تیم پژوهشی از دو نفر دیگر هم تشکیل شده است؛ نیکولاس جووامباتیستا که قبلا فیزیکدان و پژوهشگر پست دکترا در پرینستون بوده و در حال حاضر در کالج بروکلین در دانشگاه نیویورک مشغول به کار است و دیگری پیتر راسکی، شیمیدانی که در دانشگاه تگزاس‌آستین مشغول کار است. این گروه نتایج کار تحقیقاتی خود را در 18 بهمن در مجله Physical Review Letters به چاپ رساندند. این کار بخشی از تلاش‌های در حال انجام است برای مطالعه روی این موضوع که چگونه محدود کردن ماده در ابعاد فضاهای نانومتری بر رفتار حلال‌هایی که اساس‌شان آب است اثر می‌گذارد. یک دسته از این حلال‌ها آنهایی هستند که مولکول‌های زنده در خودشان دارند. حامی مالی این طرح تحقیقاتی بنیاد ملی علوم در آمریکاست.
این پژوهشگران در انجام کار خود از شبیه‌سازی کامپیوتری استفاده کردند تا بفهمند مولکول‌های آب که بین دو دیواره فرضی گیر افتاده باشند چگونه حرکت می‌کنند. دیواره‌ها در این شبیه سازی هایدروفوبیک یا آب گریز بودند، به این معنی که آنها با مولکول‌های آب مثل سطح برگ رفتار و آن را دفع می‌کردند.همان طور که احتمالا دیده‌اید قطرات آب روی سطح برگ پخش نمی‌شوند و به آن نمی‌چسبند بلکه از روی آن لیز می‌خورند. وقتی فاصله دو دیواره به اندازه‌ای بود که حدودا سه مولکول آب بین آن دو قرار می‌گرفت، شبیه‌سازی حالت جدیدی از ماده را نشان می‌داد که تاکنون شناخته نشده بود: یک لایه از آب در حالت سیال که بین دو لایه دیگر از آب یخ زده چسبیده به دیواره‌ها قرار گرفته بود. هر کدام از لایه‌ها تنها به اندازه یک مولکول ضخامت داشتند و در دنیای شبیه سازی شده در دمای اتاق قرار گرفته بودند.
این حالت از آب که یخ‌زدگی بین دو لایه نامیده شده در تمام مدت شبیه سازی که تقریبا دو نانوثانیه (هر نانو ثانیه یک میلیاردم ثانیه است) دوام آورد. هر چند ممکن است این مقدار با بعضی استانداردها کوتاه به نظر بیاید اما برای کار کردن یک شبیه‌سازی زمان طولانی‌ای است که نشان می‌دهد این لایه‌ها با وجودی که لایه میانی‌شان یخ نزده است، می‌توانند در شرایط پایدار، یخ‌زده باقی بمانند. اما وقتی چگالی سیستم کم شد فاز سه لایه‌ای تبدیل به دو لایه سیال گردید البته در این حالت هم هنوز ماده دردمای اتاق قرار داشت.
ایگن استنلی، استاد و رئیس مرکز مطالعات پلیمر در دانشگاه بوستون درباره این کار پژوهشی می‌گوید: «از جهت روش‌شناسی، این کار نمونه جالبی است که در آن می‌توانیم رفتار فاز مختلط را به شکل سیستماتیک و به کمک قدرت شبیه‌سازی کامپیوتری مشاهده و بررسی کنیم. از نگاه پدیدارشناسی نیز یافته‌های این گروه بسیار درخور توجه و برجسته است. به طور خاص خیلی هیجان‌انگیز است که ببینیم یک سیستم سه لایه‌ای با دو لایه یخ‌زده که یک لایه مایع میانی را در بر گرفته‌اند، می‌تواند پایدار باقی بماند.جالب است که این اثر یک جور محدود کردن ماده در ابعاد نانو است».
دبندتی، یکی از پژوهشگران این طرح، اشاره کرده است که بالا رفتن اطلاعات و درک ما از رفتار بنیادی آب وقتی بین صفحات محصور می‌شود، می‌تواند کاربردهای فراوانی داشته باشد. به عنوان مثال در باتری‌های هیدروژنی که تلاش می‌شود برای اتومبیل‌ها و ایستگاه‌های تولید برق استفاده شوند، الکتریسیته با عبور یون‌های هیدروژن از یک غشا تولید می‌شود که در آن مولکول‌های آب در کانال‌هایی در ابعاد نانو گیر افتاده‌اند. دبندتی فکر می‌کند این یکی از مواردی است که درک اتفاقاتی که در سطح مولکولی می‌افتد کاربردهای عملی قابل توجهی خواهد داشت. نتایج این کار پژوهشی ممکن است به یافتن جواب این سوال هم کمک کند که چگونه سطوح مختلف را می‌توان برای اثرگذاری بر رفتار آب به تنهایی و مخلوط آب با مواد دیگر به کار برد. این اطلاعات ممکن است روزی منجر به تکمیل و توسعه روش‌های جدید و نوآورانه‌ای برای تهیه سوخت‌های زیستی شوند. یکی از مشکلات مربوط به چنین سوخت‌هایی نظیر اتانول، این است که چون این سوخت‌ها از گیاهان به وجود آمده‌اند مقداری آب در خود دارند.
اگر بتوانیم سطوحی بسازیم که بتوانند با آب و اتانول رفتارهای متفاوتی کنند، ممکن است بتوانیم روش جدیدی برای جدا کردن آب از اتانول ابداع کنیم. سالواتوره تورکاتو، استاد شیمی در موسسه تحقیقاتی علوم و تکنولوژی‌های مواد پرینستون می‌گوید: «از آنجا که در بیشتر پدیده‌های زیستی با مولکول‌های آب که جایی محصور شده و گیر افتاده‌اند طرف هستیم، شاید بیشترین کاربرد این اطلاعات در فهمیدن فرآیندهای زیستی باشد. به عنوان مثال این احتمال وجود دارد که این اطلاعات به ساخت داروهای جدید بینجامد». هرچند این کاربردهای احتمالی وسوسه برانگیز هستند، اما دبندتی هشدار می‌دهد هیچ شبیه‌سازی‌ای نمی‌تواند به جای بازنمایی دقیق واقعیت قلمداد شود. در هر حال این گروه توانسته نگاه جدیدی به رفتار مولکولی آب داشته باشد و راه را برای پژوهش‌های بیشتر و گسترده‌تر باز کند. در گام‌های بعدی، پژوهشگران قصد دارند اثر تغییر شرایط در شبیه‌سازی را بر رفتار آب بررسی کنند. این تغییر شامل به کار بردن دیواره‌های فرضی‌ای می‌شود که کاملا صاف و صیقلی نیستند، دما در آنها تغییر می‌کند و از آبی در شبیه‌سازی استفاده می‌کنند که مواد محلول مثل نمک در خود داشته باشد. ارسال نظر
پربیننده