8 دقیقه
Unusual Hybrid State of Water Revealed
آب در زندگی روزمره برای ما آشناست، اما در مقیاس نانو فازها و رفتاری را نشان میدهد که انتظار نمی‌رود. تیمی از محققان در ژاپن گزارش داده‌اند که وقتی آب در کانال‌های بسیار باریک و نانومتری محبوس می‌شود، میتواند همزمان ویژگی‌های هر دو حالت جامد و سیال را نشان دهد. این پیکربندی هیبریدی که با پدیده‌ای شناخته‌شده به نام «حالت پیشذوب» (premelting state) مرتبط است، قبلاً به‌صورت نظری مورد بحث قرار گرفته بود اما مشاهده مستقیم و آزمایشی آن دشوار بود؛ اکنون پژوهش جدید شواهد مستقیمی ارائه میدهد که این حالت در نانواندازه قابل ظهور است.
Scientific background and why it matters
در سطح مولکولی تفاوت بین آب مایع و یخ به ساختار پیوند هیدروژنی و حرکت مولکولی خلاصه می‌شود. در یخ حجمی (bulk ice) مولکولهای H2O در یک شبکه مرتب و ثابت قفل شده‌اند؛ در حالی که در آب مایع، پیوندها به‌طور پیوسته شکل می‌گیرند و می‌شکنند و مولکول‌ها توانایی گردش و جابه‌جایی دارند. حالت پیشذوب میانجی است: مولکول‌ها موقعیتهای مکانی مشخصی شبیه به شبکه بلوری اشغال می‌کنند، اما همزمان حرکت چرخشی یا تغییر جهت قابل‌توجهی از خود نشان میدهند که بیشتر شبیه رفتار مایع است. این همزیستی نظم مکانی و آزادی دینامیکی، طبقه‌بندی‌های مرسوم فازی را به چالش می‌کشد و فهم ما از شبکههای پیوند هیدروژنی و خواص آب در مقیاس نانو را عمیق‌تر میکند.
سمت چپ: آب فوق‌سرد شده (سبز) در یک نانوپُر. سمت راست: خوشه‌های مولکولی آب در حالت پیشذوب که ترکیبی از مولکول‌هایی را نشان میدهد که رفتار آب و یخ را با هم دارند. (Makoto Tadokoro/Tokyo University of Science, Japan)
درک آب محبوس در نانوفضاها اهمیت فراوانی در زمینه‌های مختلف علمی و مهندسی دارد: این پدیده بر اصطکاک یخ، رفتار آب در کانال‌های زیستی مانند کانال‌های پروتئینی و غشاها، رابط‌های الکتروشیمیایی و پایداری گازهای به‌دام‌افتاده در مواد شبیه یخ تأثیر می‌گذارد. گروه تحقیقاتی همچنین به کاربردهای بالقوه در ذخیرهسازی گازها مانند هیدروژن و متان در شبکههای یخی مهندسیشده و طراحی مواد جدید مبتنی بر آب اشاره کرده‌اند؛ از جمله ساخت هیدرات‌های گازی مصنوعی یا مواد کاتالیزوری که در آن‌ها دینامیک هیبریدی آب میتواند واکنش‌پذیری را تحت تأثیر قرار دهد. بنابراین مطالعه آب در مقیاس نانو و حالت پیشذوب میتواند راهگشای نوآوری‌های صنعتی و زیست‌فناوری باشد.
Experiment details: heavy water, nanopores and deuterium NMR
برای بررسی حالت پیشذوب، پژوهشگران از آب سنگین (D2O) استفاده کردند که در آن هیدروژن‌های معمولی با دوتریوم جایگزین شده‌اند. دوتریوم دارای یک نوترون اضافی است که حساسیت سیگنالهای طیف‌سنجی هسته‌ای را افزایش میدهد و D2O را برای اندازه‌گیری‌های حساس NMR مناسب‌تر میسازد. گروه، بلورهایی به‌شکل میله سنتز کردند که دارای نانوپُرهای آب‌دوست با پهنای تنها 1.6 نانومتر بودند. آن‌ها D2O را داخل این کانال‌ها منجمد کردند و سپس نمونه را به‌آرامی گرم کردند در حالی که با طیف‌سنجی ثابت حالت جامد دوتریوم (static solid-state deuterium NMR spectroscopy) حرکت و دینامیک مولکولی را پایش می‌کردند. استفاده از آب سنگین و NMR دوتریوم امکان تفکیک رفتارهای موقعیتی و چرخشی مولکول‌ها را در این کانال‌های تنگ فراهم میسازد، چون سیگنالهای دوتریوم نسبت به دوتریوم‌های مرتبط با پیوند هیدروژنی حساسیت متفاوتی نشان میدهند و اطلاعات طیفی غنی‌تری ارائه می‌کنند.
طیف‌های NMR ساختار سلسله‌مراتبی و سه‌لایه‌ای را درون کانال محبوس نشان دادند. لایههای مختلف دینامیک متفاوتی داشتند: در برخی نواحی مولکول‌ها عملاً در جای خود منجمد بودند و جابه‌جایی شکل بیرونی کمی داشتند؛ در برخی لایههای دیگر مولکول‌ها چرخش سریع و تغییر جهت‌هایی از خود نشان دادند که مشخصه حرکت‌های مایع‌مانند است؛ و یک لایه میانی رفتار مختلطی از خود نشان داد که ترکیبی از پایداری مکانی و چرخش قابل توجه بود. این آرایش لایه‌ای از ایده ناحیه پیشذوب پشتیبانی میکند؛ ناحیه‌ای که در آن آب منجمد و آب متحرک در مقیاس مولکولی همزمان وجود دارند و الگوهای پیوند هیدروژنی در سطوح و مرزهای نانوپُر بازتعریف می‌شوند. چنین تصویری نشان میدهد که هندسه و شیمی سطح کانال‌ها چگونه میتواند توپوگرافی انرژی پیوندها را تغییر داده و مرزهای فازی را در مقیاس زیر۲ نانومتر دگرگون سازد.
Key discoveries and implications
شواهد مستقیم NMR نشان میدهد که چگونه محبوس شدن و تعاملات سطحی پیوند هیدروژنی و رفتار فازی را تغییر میدهد. تحت محبوس‌سازی شدید در مقیاس نانو، آب میتواند ساختاری مرتب حفظ کند در حالی که همزمان قابلیت حرکت چرخشی را نیز حفظ نماید؛ ویژگی‌ای که معمولاً در یخ حجمی مشاهده نمی‌شود. این یافته‌ها بر نتایج قبلی می‌افزاید که نشان می‌داد آب محبوس میتواند ویژگی‌های الکتریکی متفاوتی از خود نشان دهد، نزدیک به صفر مطلق به صورت مایع باقی بماند، یا بسته به شیمی سطح و هندسه نانوپُر در دماهای غیرمنتظره‌ای یخ بزند. در نتیجه، تصویر جدید از فازهای آب محبوس، مرزهای فازی سنتی را بازتعریف میکند و معیارهای جدیدی برای توصیف فازهای ترکیبی پیشنهاد می‌نماید.
نویسنده ارشد، ماکوتو تدوکورو، توضیح میدهد که حالت پیشذوب «شامل ذوب آب‌هایی است که پیوند هیدروژنی‌شان به‌صورت کامل برقرار نشده است، پیش از آن‌که ساختار یخ کاملاً منجمد شروع به ذوب شدن کند» و این‌که «این یک فاز نوین از آب است که در آن لایههای H2O منجمد و لایههای H2O با حرکت کندتر در کنار هم وجود دارند.» چنین توضیحاتی کمک می‌کنند تا نمود نقشه رفتار فازی آب در شرایط محبوس‌سازی نانومتری تکمیل‌تر شود و مسیرهایی برای طراحی شبکههای یخی مهندسیشده باز شوند؛ شبکه‌هایی که بتوانند برای ذخیرهسازی گازها، بهینه‌سازی خواص اصطکاکی یا ایجاد محیط‌های کاتالیزوری با کارایی بالا مورد استفاده قرار گیرند. به‌طور خاص، دستکاری پارامترهایی مانند اندازه نانوپُر، گروه‌های شیمیایی روی دیواره‌ها و نوع ایزوتوپ آب میتواند راهبردهای جدیدی برای تنظیم انرژی‌های پیوند هیدروژنی و دینامیک مولکولی ارائه دهد.
Future prospects
کارهای آینده قرار است اندازه‌های مختلف نانوپُر، شیمی سطوح متفاوت و گونه‌های ایزوتوپی متنوع را آزمایش کنند تا قواعد عمومی برای فازهای آب محبوس تعریف شود. ترکیب NMR با روشهای مکمل مانند پراکندگی نوترون (neutron scattering)، طیف‌سنجی‌های دیگر و شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی (molecular dynamics simulations) میتواند نشان دهد که کدام موتیف‌های خاص پیوند هیدروژنی یا ساختارهای سطحی مسئول تولید رفتارهای مختلط جامد-سیال هستند. علاوه بر روشن شدن مکانیسم‌ها، ترجمه این دانش به کاربرد عملی میتواند فرصت‌هایی در زمینه ذخیرهسازی مهندسیشده گاز، بهبود روشهای حفاظت سرمایشی (cryopreservation)، یا ایجاد محیط‌های کاتالیزوری جدید فراهم آورد که در آن‌ها دینامیک هیبریدی آب بر مسیرها و سرعت واکنش‌ها اثر بگذارد. پژوهش‌های آینده همچنین ممکن است به طراحی مواد مبتنی بر آب کمک کنند که خواص حرارتی و الکتریکی ویژه‌ای دارند یا در فناوری‌های حسگری و غشاهای تبادل یونی عملکرد برتر نشان دهند.
Conclusion
این مطالعه شواهد آزمایشی مستقیمی ارائه میدهد که آب محبوس در کانال‌های کمتر از ۲ نانومتر میتواند وارد یک رژیم پیشذوب شود که نظم بلوری را با حرکت شبیه مایع ترکیب میکند. این تصویر دقیق‌تر از آب محبوس، نظریه‌های بنیادی فازها را گسترش میدهد و مسیرهای جدیدی برای طراحی مواد و کاربردهایی باز میکند که از رفتارهای منحصربه‌فرد آب در مقیاس نانو استفاده می‌کنند. از منظر علوم مواد، فیزیک سطح و شیمی فیزیک، این یافته یک گام مهم در فهم نحوه تغییر خواص آب زیر محدودیت‌های هندسی و شیمیایی است و نشان میدهد که چگونه کنترل هندسه نانوپُر و شیمی سطح میتواند خواص فازی و دینامیک مولکولی را به‌صورت هدفمند تغییر دهد. همچنین این نتایج می‌توانند در توسعه فناوری‌های ذخیرهسازی انرژی و گاز، طراحی غشاهای کارآمد و نوآوری در زمینه مواد سازگار با محیط زیست نقش‌آفرین باشند، چرا که آب و پیوندهای هیدروژنی اساس بسیاری از پدیده‌های عملکردی در نانومقیاس را تشکیل میدهند.
منبع: sciencealert
ارسال نظر