دانستنی‌های عجیب و خواندنی در مورد آب

۱. 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 که بصورت دانه‌های ریز تشکیل شده‌اند.

این تنوع شگفت‌انگیز کریستال‌های یخ در نتیجه‌ی شبکه‌ی قوی چهار ضلعی است که در اثر پیوند هیدروژنی بین مولکول‌های آب تشکیل می‌شود. در حالت مایع، مولکول‌های آب برای استفاده‌ی کامل از پتانسیل پیوند هیدروژنی خود سعی می‌کنند پیوندی با زوایای نزدیک به حالت چهار ضلعی ایجاد کنند. پیوند هیدروژنی درون کریستال Ih ساختمانی سه بعدی با چگالی کم تشکیل می‌دهد. در شکل زیر نیز می‌بینید که در حالت مایع و در سمت چپ ساختمانی چهار ضلعی تشکیل شده و در حالت کریستال Ih این ساختمان سه بعدی می‌شود.

اعمال فشار بر روی این ساختار‌های چهار ضلعی مانند یخ کریستالی، کربن، سیلیکون و فسفر می‌تواند شکل چهار ضلعی با چگالی کم را فشرده کرده و تبدیل به ساختاری با چگالی بالا بکند. این فشار می‌تواند ۱۷ نوع مختلف کریستال آب را تشکیل دهد، اما آیا فقط همین ۱۷ نوع کریستال را داریم؟

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 ادعای دانشمندان ژاپنی صحیح باشد باید دو نوع آب وجود داشته باشد. یک نوع آب عادی با چگالی کم و دیگری حالت فشرده با چگالی بالا.

شبیه سازی‌های بیشتر از این ادعا پشتیبانی می‌کنند. آن‌ها آب را در دمای زیر دمای انجماد آن، اما بالاتر از دمای تبلور هموژن، دمایی که پایین‌تر از آن آب مایع نمی‌تواند وجود داشته باشید، مورد بررسی قرار دادند. در این دمای خیلی سرد، دانشمندان تبدیل آب مایع از فازی به فاز دیگر را مشاهده کردند.

با این وجود، دیگر دانشمندان مخالف هستند و می‌گویند این نتایج مصنوعی هستند و این نوع انتقال فاز‌ها براساس قوانین پایه‌ای مکانیک آماری غیرممکن است. انتقال فازی در شرایطی دور از شرایط تعادل اتفاق می‌افتند و به این دلیل نمی‌توان آن‌ها را مدل کرده و مورد بررسی قرار داد.

۳. آب چگونه بخار می‌شود؟

نرخ تبخیر آب مایع یکی از مشکلات اساسی در مدل کردن شرایط آب و هوایی در دنیای مدرن است. این نرخ می‌تواند اندازه‌ی قطرات آب در ابر‌ها را تعیین کند، قطراتی که می‌توانند میزان بازتاب، جذب و یا پخش کردن نور توسط ابر‌ها را مشخص کنند.

اما مکانیزم بخار شدن آب را به طور دقیق نمی‌دانیم. نرخ تبخیر این‌گونه تعریف می‌شود که اگر نرخ برخورد مولکول‌ها را در ضریب تبخیر ضرب کنیم، می‌توانیم آن را محاسبه کنیم. ضریب تبخیر عددی بین یک و صفر است. اندازه‌گیری این مقدار به صورت تجربی در سال‌های گذشته در سه مرتبه‌ی عددی با یکدیگر متفاوت بوده‌اند. محاسبات تئوری بدلیل نیاز به شبیه‌سازی‌های زیاد و پیچیده بسیار دشوار هستند.

دیوید چندلر به همراه همکارانش در دانشگاه برکلی کالیفرنیا، با استفاده از نظریه‌ای که تبخیر آب را تشریح می‌کند، سعی در محاسبه‌ی ضریب تبخیر داشتند و موفق شدند مقدار آن را عددی نزدیک به یک بدست آورند. این مقدار به نتایج پروژ‌ه‌ی جدیدی که ضریب تبخیر را برای آب سخت و آب معمولی مقداری برابر ۰.۶ بدست آورده، نزدیک است و بر خلاف تحقیقات گذشته تفاوت زیادی را نشان نمی‌دهد.

با این وجود همچنان مشکلاتی در سر راه وجود دارند. اولین مشکل این که علت مقادیر بسیار کم حاصل از محاسبات در شرایط اتمسفری مناسب، هنوز مشخص نشده است. روشی که با آن شبیه‌سازی‌ها انجام می‌شوند، می‌گوید تبخیر به موج مویی غیرعادی و بزرگی که بر روی سطح آب تشکیل می‌شود، بستگی دارد. این موج پیوند هیدروژنی که مولکو‌ل‌های آب را کنار هم نگه می‌دارد، سست کرده و می‌شکند. اضافه شدن نمک باعث افزایش تنش سطحی می‌شود و افزایش این تنش دامنه‌ی موج‌های مویی را محدود می‌کند، پس انتظار می‌رود افزایش نمک نرخ تبخیر را کاهش دهد در حالی که آزمایش‌های تجربی نشان می‌دهند افزودن نمک تاثیری بر این نرخ ندارد و اگر هم داشته باشد بسیار کم است.

۴. سطح آب مایع اسیدی است یا بازی؟

موردی شگفت انگیز در اطراف آبشار نیاگارا وجود دارد: هر قطره طوری حرکت می‌کند که گویا بار منفی دارد، این مورد برای تمامی آبشار‌ها نیز صادق است. برای مدت طولانی است که این مشاهده را گواهی بر تجمع هیدروکسید با بار منفی بر روی سطح قطره‌ها می‌دانند که نشان از سطح بازی با PH بالاتر از ۷ قطره است. در واقع این ادعا، به باوری برای دانشمندان تبدیل شده است.

سطح قطره‌ی آب مقدار زیادی پیوند‌های هیدروژنی شکسته دارد، که شرایط شیمیایی متفاوتی را نسبت به توده‌ی آب در آن قسمت قطره ایجاد می‌کند. 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 و نه منفی که باعث ایجاد محیط اسیدی و PH زیر ۷ می‌شود.

روند‌ها و آزمایش‌های زیادی در شیمی و علم زیست‌شناسی به مقدار PH سطح قطره بستگی دارند که این مقدار در حال حاضر به طور دقیق مشخص نیست.

۵. آیا آب محدود شده در ابعاد نانو ماهیت متفاوتی دارد؟

آب همواره در حال جاری شدن در سطوح بزرگ اقیانوس‌ها نیست و بنابر کابرد‌های مختلف آب را به فضا‌هایی در حد نانو که شاید چند صد مولکول را در خود جا می‌دهد نیز محدود می‌کنند.

هر دوی آزمایش‌های تجربی و محاسبات نشان می‌دهند، آبی که در فضایی خیلی کوچک توسط دیواره‌های جامد محدود شده باشد، اثرات مکانیک کوانتوم از خود بروز می‌دهد. برای مثال این آب رفتار‌هایی مانند نامتمرکز شدن الکترونی و چسبندگی کوانتومی را از خود نشان می‌دهد. ویژگی‌ها این آب‌ها با آب معمولی تفاوت بسیاری دارند و می‌توانند سلول‌های زیستی تا ساختمان ژئولوژیکی را دگرگون کنند. همچنین این آب‌ها می‌توانند کاربرد‌های زیادی داشته باشند که از جمله می‌توان به ساخت سیستم‌های نمک‌زدایی با بازده بیشتر اشاره کرد.

نتایج تحقیقات در حال حاضر مبهم هستند و برای شناخت بیشتر طبیعت آب محدود شده نیاز به تحقیقات بیشتر در این زمینه کاملا احساس می‌شود.