آب در یک لیوان، کاملاً آشنا به نظر میرسد، اما زمانی که به شرایط حدی رانده میشود، رفتاری کاملاً متفاوت از خود نشان میدهد. پژوهشگران دانشگاه منچستر دریافتند که وقتی آب در کانالهایی فوقباریک درون کریستالها فشرده میشود، میتواند جریان الکتریکی را تا ۱۰۰ هزار برابر بهتر از آب معمولی هدایت کند.
این کشف از آن جهت اهمیت دارد که بسیاری از فرایندهای حیاتی طبیعت، نه در عمق مایع، بلکه در نواحیای رخ میدهند که آب با یک سطح جامد تماس دارد. تغییر در نحوه جابهجایی بارهای الکتریکی در این نواحی بسیار کوچک، میتواند درک ما از شیمی درون سلولها و مواد پیشرفته را بهطور اساسی دگرگون کند.
مولکولهای آب فشردهشده
در شرایط عادی، مولکولهای آب از طریق شبکهای از پیوندهای هیدروژنی به یکدیگر متصل میشوند؛ شبکهای پویا از جاذبههای ضعیف میان مولکولهای مجاور. این شبکه به آب کمک میکند نمکها را حل کند، پروتئینها را پایدار نگه دارد و در عین حال، به آب حجمی توانایی نسبتاً بالایی برای انتقال بار الکتریکی میبخشد.
این پژوهش به رهبری لورا فوماگالی، فیزیکدان دانشگاه منچستر انجام شده است؛ پژوهشگری که در اندازهگیریهای مقیاس نانو تخصص دارد و تمرکز اصلی تحقیقاتش بر رفتار آب و سایر مایعات در شرایط محصور میان مواد اتمیِ کاملاً تخت است.
بسیاری از واکنشهای کلیدی در آب بینسطحی رخ میدهند؛ لایهای بسیار نازک دقیقاً در جایی که آب مایع با یک سطح جامد تماس پیدا میکند. درون سلولها، این لایه غشاها، پروتئینها و DNA را پوشش میدهد، بنابراین هر رفتار ویژهای در این ناحیه میتواند تأثیر عمیقی بر شیمی حیات داشته باشد.
«در اصل، آب از نظر الکتریکی مرده بود»؛ فوماگالی با این جمله به نتیجهای بحثبرانگیز در مطالعات پیشین اشاره میکند.
در آن مطالعه، ثابت دیالکتریک عمودی این لایه، که نشاندهنده میزان قطبش ماده در میدان الکتریکی است، حدود ۲ اندازهگیری شده بود.
نانوکانالها برای لایههای تخت آب
تیم تحقیقاتی با رویهمچیدن لایههایی از گرافیت و نیترید بور ششگوش، نانوکانالهایی بسیار باریک ایجاد کرد؛ گذرگاههایی مستطیلی با ارتفاعی در حد ۰٫۰۰۰۰۰۰۰۸ اینچ در نازکترین نمونهها. آب از کنارهها به درون این شکافها کشیده شد و لایههایی کاملاً تخت و پنهان میان کریستالها شکل گرفت.
برای بررسی این کانالها از روشی به نام میکروسکوپ دیالکتریک پیمایشی استفاده شد؛ روشی که با یک نوک بسیار کوچک و لرزان، پاسخ الکتریکی موضعی را اندازهگیری میکند. این نوک به میزان سهولت جابهجایی یا بازآرایی بارها در لایه آب، هنگام اعمال ولتاژ متناوب، واکنش نشان میداد.
پژوهشگران ولتاژ نوک را از چند صد چرخه در ثانیه تا نزدیک به یک میلیارد چرخه در ثانیه تغییر دادند. این بازه وسیع به آنها اجازه داد تغییرات بار ذخیرهشده و بار جاری در امتداد هر لایه آب را مشاهده کنند.
«این همان چیزی است که ما آن را محصورشدگی شدید مینامیم»؛ فوماگالی توضیح میدهد.
وقتی کانالها آنقدر نازک میشوند که دو سطح تماس شروع به همپوشانی میکنند، پژوهشگران این وضعیت را «محصورشدگی قوی» مینامند.
از آب خاموش تا بزرگراه پروتونها
در شدیدترین حالت محصورشدگی، ثابت دیالکتریک درونصفحهای به حدود ۱۰۰۰ رسید و رسانایی الکتریکی چند زیمنس بر متر اندازهگیری شد. این مقادیر با برخی رساناهای پروتونی تجاری قابل مقایسه است و حتی به محدوده موادی موسوم به «مایعات فوقیونی» نزدیک میشود.
در شکافهای عریضتر، آب رسانایی پروتونی تقویتشدهای نشان داد؛ به این معنا که یونهای هیدروژن با بار مثبت، آسانتر در امتداد کانال حرکت میکردند. با باریکتر شدن تدریجی شکاف، این رسانایی پیوسته افزایش یافت، در حالی که پاسخ درونصفحهای همچنان شبیه آب مایع معمولی باقی مانده بود.
اوج چشمگیر این رفتار زمانی رخ داد که دو لایه بینسطحی به هم رسیدند و آبی شبهدوبعدی شکل گرفت؛ آبی که در عرض شکاف تنها از چهار یا پنج لایه مولکولی تشکیل شده بود. در این وضعیت، الگوی پیوندهای هیدروژنی درون هر لایه بهشدت نامنظم میشود و همین امر، بازآرایی جانبی دوقطبیها و پروتونها را آسانتر میکند.
پیوندهای هیدروژنی درون لایههای آب
شکستن و شکلگیری دوباره پیوندهای هیدروژنی میتواند حرکت پروتونها را از طریق مکانیسم گروتهاس تسریع کند؛ مکانیسمی که در آن پروتونها بهصورت نوبتی میان مولکولهای مجاور آب «میجهند». وقتی محصورشدگی، الگوی پیوندهای هیدروژنی را بههم میریزد، این زنجیره انتقال در امتداد کانال آسانتر میشود و سرعت انتقال بار افزایش مییابد.
در فشارها و دماهای بسیار بالا، آب میتواند وارد فازی به نام یخ فوقیونی شود؛ حالتی که در آن اتمهای اکسیژن ثابت میمانند، اما پروتونها آزادانه جریان پیدا میکنند. آزمایشهای انجامشده با آب فشردهشده توسط شوک، رسانایی یونی بالاتر از ۱۰۰ زیمنس بر سانتیمتر را در این حالت ثبت کردهاند.
سلولهای سوختی تجاری بر پایه غشاهای تبادل پروتون کار میکنند؛ لایههای نازکی که اجازه عبور پروتونها میان الکترودها را میدهند، اما الکترونها را مسدود میکنند. در موادی مانند Nafion، رسانایی پروتونی اندازهگیریشده در دمای اتاق معمولاً در بازه ۰٫۱ تا ۱٫۵ زیمنس بر سانتیمتر قرار دارد.
مطالعات اخیر نشان میدهد آب بینسطحی، لایههایی منظم با پیوندهای هیدروژنی متفاوت از آب حجمی تشکیل میدهد. این بازآراییها میتوانند نفوذ، سرعت واکنشها و حتی گذارهای فازی در سطوح را تغییر دهند، بنابراین رفتار الکتریکی غیرمعمول آب محصورشده در مقیاس نانو، بخشی از یک الگوی بزرگتر محسوب میشود.
درسهایی از لایههای آب فشرده
غشاهای سلولی و سطوح پروتئینی، مملو از شیارها و حفرههای نانومقیاس هستند که در آنها آب لایهای میتواند رفتاری با رسانایی بسیار بالا از خود نشان دهد. اگر جریان پروتون در امتداد این لایهها آسانتر شود، سلولها ممکن است بارهای الکتریکی را بسیار کارآمدتر از آنچه مدلهای مبتنی بر آب حجمی پیشبینی میکنند، هدایت کنند.
در سطوح جامد، لایه دوتایی الکتریکی؛ ناحیهای بسیار نازک که یونها در نزدیکی سطح تجمع میکنند، نقش تعیینکنندهای در عملکرد باتریها و غشاها دارد. تصویر جدید از آب بینسطحی، که در آن رفتار الکتریکی به جهت حرکت درون لایههای مولکولی وابسته است، نشان میدهد بسیاری از مدلهای الکتروشیمیایی در مقیاس نانومتر نیازمند بازنگری هستند.
طراحان غشاها و سامانههای انرژی میتوانند از چنین لایههای غنی از پروتون بهره بگیرند تا سیگنالها و یونها را به شیوههایی هدایت کنند که آب معمولی هرگز اجازه آن را نمیداد. از آنجا که آزمایشهای منچستر خواص موضعی را اندازهگیری میکنند، نه میانگین رفتار در تعداد زیادی حفره، این روش ابزاری قدرتمند برای آزمودن مایعات دیگر در شرایط محصورشدگی شدید فراهم میکند.
برای مادهای که بیشتر سطح زمین را پوشانده و در تکتک سلولهای ما حضور دارد، آب همچنان وقتی در راهروهای اتمی تخت فشرده میشود، چهرههای الکتریکی تازهای از خود نشان میدهد. این یافتهها یادآور میشوند که حتی آشناترین مایع جهان نیز در کوچکترین مقیاسها میتواند رفتاری کاملاً غیرمنتظره داشته باشد.
این پژوهش در نشریه علمی Nature منتشر شده است.
