يخ داغ

[HORLIKAN]

برای اغلب مردم، درست كردن یخ كار ساده ای است: كافی است یك ظرف آب را در فریزر قرار دهیم. اما شیمیدانی به نام «یون می چوی» Eun Mi Choi و همكارانش در دانشگاه ملی سئول در كره جنوبی به این مسئله به گونه ای دیگر می نگرند. برای آنها درست كردن یخ از طریق كاهش دما تا زیر نقطه انجماد آب، آخرین گزینه محسوب می شود و نه اولین گزینه. این محققان ترجیح می دهند با قرار دادن آب در معرض میدان های الكتریكی یخ درست كنند و شگفت انگیزتر آنكه این كار را در دمای اتاق انجام می دهند.

اما همانطور كه «دنیس ویتلی» (Denys Wheatley) زیست شناس سلولی دانشگاه آبردین انگلستان كه بر روی تاثیر آب بر سیستم های زنده تحقیق می كند نیز اذعان دارد، ایجاد یخ در دمای اتاق یا اصطلاحا «یخ داغ» واقعا حیرت انگیز است چراكه قرن های متمادی تصور بشر آن بود كه ایجاد یخ فقط با سرما میسر است.
آزمایش موفقیت آمیز «چوی» كه چند ماه پیش صورت گرفت سرانجام به جست وجویی ۱۰ساله در مورد نحوه تشكیل «یخ داغ» پایان داد. اما نتیجه غیرمنتظره این آزمایش شگفت انگیز سئوال جدیدی را نیز برای دانشمندان مطرح كرد. آزمایش «چوی» حاكی از آن است كه نه تنها تبدیل آب ولرم به یخ توسط اعمال میدان الكتریكی، كاری شدنی است بلكه شدت میدان لازم برای این كار نیز به طور غیرمنتظره ای پایین است، آنقدر پایین كه به سهولت می توان میدان های مشابهی را در گوشه و كنار طبیعت از شكاف میان تخته سنگ ها و خلل و فرج ذرات خاك معلق در هوا گرفته تا فضای میان پروتئین ها در سلول های بدن یافت. به همین علت تحقیقات اخیر پس از كشف «یخ داغ»، بر روی این پرسش متمركز شده است كه آیا «یخ داغ»، به طور طبیعی در طبیعت نیز شكل می گیرد

اما بازگردیم به داستان كشف «یخ داغ». داستان تشكیل یخ در دمای اتاق با كشفی به ظاهر تصادفی در سال ۱۹۹۵ و توسط یك دانشمند علم مواد به نام «یاكوب كلین» Jacob Klein در مؤسسه علوم ویزمان Weizmann در اسرائیل آغاز شد. او متوجه شد كه مایعات آلی محصور شده مابین صفحاتی از جنس میكا كه تنها چند نانومتر با همدیگر فاصله گرفته اند در دمایی بسیار بالاتر از حالت معمول خود منجمد می شوند.
همین مسئله سبب شد تا او به این فكر بیفتد كه شاید به روشی مشابه بتوان در دمای اتاق یخ ایجاد كرد. اینگونه بود كه كلین شش سال بعد را صرف آزمایش بر روی آب و دیگر مایعات كرد. آزمایش های او برای منجمد كردن اغلب مایعات در دمای اتاق موفقیت آمیز بود اما در مورد آب خیر. می دانیم كه آب یك مایع معمولی نیست. در حالی كه اغلب مواد در حالت جامد خود، چگال تر از حالت مایع هستند اما موضوع در مورد آب برعكس است به همین دلیل هم كوه های یخ در آب شناور می مانند چراكه آب، پس از انجماد، منبسط شده و نتیجتا چگالی یخ، كم تر از چگالی آب است. نهایتا «كلین» به این نتیجه رسید كه محصور كردن مولكول های آب در فضای تنگ مابین صفحات جامد خود به عنوان مانعی برای انجماد آب عمل می كند. به همین دلیل هم او از ادامه آزمایش خود بر روی آب منصرف شد.

اما «كلین» یك عامل حیاتی را كه برای ایجاد یخ در دمای اتاق لازم است ندیده بود و آن، میدان الكتریكی بود. اما همین كه كلین پروژه تحقیقاتی خود را متوقف كرد دو زیست فیزیكدان به نام های «رونن زانگی» Ronen Zangi و «آلن مارك» Alan Mark كه در آن زمان در دانشگاه گرونینگن در هلند بودند، ادامه تحقیق را به دست گرفتند. این دو محقق در سال ۲۰۰۳ موفق به انجام یك شبیه سازی رایانه ای شدند كه نشان می داد در هنگام اعمال یك میدان الكتریكی چه اتفاقی برای مولكول های آب محصور میان صفحات جامد خواهد افتاد.
از آنجایی كه دو اتم هیدروژن موجود در مولكول آب دارای بار جزیی مثبت بوده و اتم اكسیژن این مولكول نیز بار جزیی منفی دارد بنابراین اعمال میدان الكتریكی بر روی آب می تواند جهت گیری های تصادفی مولكول های آب را تغییر داده و آنها را همانند مولكول های جامدات منظم كند. شبیه سازی های «زانگی» و «مارك» حاكی از آن است كه این میزان نظم می تواند به حدی باشد كه حتی در دمای اتاق هم آب را منجمد و جامد گرداند. «مارك» دراین باره می گوید: «با یك میدان الكتریكی قوی حتی می توان یك لیوان پر از آب را در دمای اتاق به یخ تبدیل كرد.» اما هیچ كس نتوانسته بود صحت این پیش بینی را حتی با مقادیر بسیار جزیی آب به طور تجربی نشان دهد تا اینكه نوبت به «چوی» رسید.

«چوی» و همكارانش ابتدا لایه نازكی از آب را مابین یك صفحه و یك سوزن بسیار باریك فلزی محصور كردند. سپس میدان الكتریكی ضعیفی را مابین سوزن و صفحه فلزی اعمال كرده و سر سوزن را به تدریج به صفحه نزدیك كردند. هنگامی كه سر سوزن فقط ۷۰ نانومتر با صفحه فلزی فاصله داشت، سوزن به مانعی برخورد كرد و دیگر جلوتر نرفت. این مانع، در واقع لایه ای از یخ بود و بدین ترتیب «چوی» برای اولین بار در جهان موفق به ایجاد «یخ داغ» شده بود.

اما آنچه محققان را به طور خاص شگفت زده كرد آن بود كه ایجاد «یخ داغ» با اعمال شدت میدانی در حدود یك میلیون ولت بر متر (نیوتون بر کولن) میسر شده بود. اگرچه ممكن است این شدت میدان، زیاد به نظر برسد اما برعكس تصور شما، این میدان در حدی است كه به راحتی می توان مشابه آن را در بسیاری از نقاط طبیعت یافت. به عنوان مثال، در میان خلل و فرج ذرات خاك معلق در هوا، بار الكتریكی كافی برای ایجاد چنین شدت میدانی وجود دارد. چنین میدانی می تواند حتی در هوای معتدل نیز توده ای از مولكول های آب را به بلورهای بسیار كوچك یخ تبدیل كند. بدین ترتیب پدیده «یخ داغ» ممكن است بتواند نحوه تشكیل ابرها در آسمان را كه سال هاست به شكل یك راز سر به مهر باقی مانده و دانشمندان علوم جوی را سردرگم كرده است تبیین كند. به همین ترتیب، میدان های الكتریكی موجود مابین غشاء سلول های عصبی و یا سطوح پروتئین ها و پلی ساكاریدها نیز می توانند به اندازه كافی شدید باشند كه منجر به شكل گیری ذرات بسیار كوچك یخ در درون سلول ها شوند.«ویتلی» معتقد است كه بدین ترتیب، به زودی جست وجو برای یافتن «یخ داغ» در حفره های درون پروتئین ها نیز آغاز خواهد شد. او می گوید: «در فواصل بسیار كوچك در سطح پروتئین ها می توان میدان های الكتریكی بسیار شدیدی را یافت.»

درواقع ممكن است نشانه هایی از وجود «یخ داغ»، پیش از این نیز بدون آنكه كسی متوجه آن شده باشد خود را بروز داده باشد. شیمیدان هایی كه میزان تحرك مولكول های آب را مطالعه می كردند دریافته بودند كه حركت این مولكول ها در اطراف یون هایی كه دارای دو یا سه بار مثبت هستند نظیر یون های كلسیم و كروم به شدت كند می شود. میزان این كند شدن به حدی است كه مولكول هایی كه در لایه های نزدیك این یون ها قرار دارند ممكن است تا پیش از آنكه جای خود را به دیگر مولكول ها بدهند حتی تا یك ساعت تمام همانطور در اطراف یون مزبور باقی بمانند. اما همین مولكول ها در اطراف یون های تك بار نظیر پتاسیم و سدیم برعكس بسیار پرجنب و جوش هستند. در واقع ممكن است حركت كند آب در اطراف یون های با بیش از یك بار مثبت، نشانه ای از انجماد آب در حضور میدان الكتریكی اطراف یون باشد.
«ویتلی» معتقد است كه پیامدهای كشف این رفتار شگفت انگیز آب بسیار تكان دهنده خواهد بود. آب بستر حیات محسوب می شود و چنانچه ویژگی های این بستر حتی اندكی هم تغییر كند منجر به تحول بیش از یكصد عامل دیگر در سلول ها خواهد شد. «ویتلی» ادامه می دهد:به نظر می رسد كه آب یعنی همان مایعی كه بیشترین بخش بدن ما را تشكیل می دهد هنوز هم جزء ناشناخته ترین عوامل طبیعت است. ویژگی های ناشناخته این مایع حیات بخش، هنوزهم پس از قرن ها تحقیق علمی، ما را شگفت زده می كند.