چرایی رفتار متفاوت آب با دیگر مایعات مشخص شد

ممکن است تا به حال به این نکته توجه نکرده باشید که آب مانند دیگر مایعات رفتار نمی‌کند و بسیار عجیب است. در حال حاضر دانشمندان بر این باورند که دلیل رفتار عجیب آب را متوجه شده‌اند. طبق گفته‌ی دانشمندان، دلیل این رفتار، طرز عجیب چینش مولکول‌ها‌ی آب است.

یکی از ویژگی‌ها‌‌ی عجیب آب، چگالی غیر‌معمول آن است. معمولا زمانی که مایعی سرد می‌شود، چگالی آن افزایش می‌یابد اما بیشینه چگالی آب در دما‌ی ۴ درجه‌ی سلسیوس (۳۹.۲ فارنهایت) اتفاق می‌افتد.

در دما‌ها‌ی کم‌تر از ۴ درجه سلسیوس، چگالی آب کم‌تر می‌شود و این به این معنی است که زمانی که آب در دما‌ی صفر درجه سلسیوس (۳۲ فارنهایت) یخ می‌زند، چگالی آن از چگالی آب مایع کم‌تر است. این دلیل شناور ماندن یخ روی آب و همینطور دلیل یخ زدن اجسام آبی از بالا به پایین است.

اما این همه چیز نیست. جدای از جیوه که نوعی فلز مایع است، آب در بین مایعات، بیش‌ترین میزان کشش سطحی را به خود اختصاص داده است. به دلیل همین کشش سطحی زیاد، عنکبوت‌ها‌ی آبی می‌توانند روی سطح آب راه بروند.

علاوه بر همه‌ی این‌ها، نقطه‌ی جوش آب بسیار بالا است به طوری که بسیاری از مواد شیمیایی قابل حل در آب هستند. این یک ویژگی بسیار منحصر به‌فرد در مقابل سایر مایعات است.

برای دست‌یافتن به چرایی بعضی از این ویژگی‌ها‌ی عجیب آب، دانشمندان باید به ساختار‌ها‌ی مولکولی توجه کنند. در دمای اتاق، ساختار مولکولی یخ، یک ساختار تتراهدرال است. به این معنی که هر مولکول آب در قالب یک ساختار هرمی شکل، با چهار مولکول آب دیگر پیوند دارد.

پژوهشگران دانشگاه بریستول و دانشگاه توکیو، از کامپیوتر‌ها و ابر‌کامپیوتر‌ها‌ی خاصی برای ایجاد تغییرات در این ساختار طبیعی هرمی شکل مولکول‌ها‌ی آب، استفاده کرده‌اند. 

هدف از ایجاد این تغییرات، ساختن آبی با رفتار شبیه به دیگر مایعات است. برای مثال ساختن آبی که چگالی یخ آن از چگالی آب مایع بیش‌تر باشد تا بتواند از بالا به پایین آب شود.

به گفته‌ی اعضای تیم پژوهشی، این تغییرات بر تمام ویژگی‌ها‌ی آب تاثیر داشته است و این یعنی، ویژگی‌ها‌ی عجیب آب، تاثیر مستقیم چینش مولکولی آن است.

جان روسو گفت:

ما با این روش توانستیم متوجه شویم که چه عاملی باعث ایجاد ویژگی‌ها‌ی عجیب در آب می‌شود. این عامل، همان چینش تتراهدرال مولکول‌ها‌ی آب است. چهار تا از این ساختار‌ها‌ی تتراهدرال به گونه‌ای سازمان‌دهی شده‌اند که یک مولکول آب معمولی را در مرکز، بدون هم‌پوشانی به اشتراک می‌گذارند. وجود این ساختار‌ها‌ی منظم در کنار ساختار‌ها‌ی نامنظم دیگر، باعث ایجاد ویژگی‌ها‌ی عجیب در آب می‌شود.

اگر آب ویژگی‌ها‌ی کنونی خود را نداشت، زندگی به شکل کنونی خود امکان‌پذیر نبود. برای مثال یکی از ویژگی‌ها‌ی آب این است که به‌سادگی چگالیده نمی‌شود و به همین دلیل می‌تواند به راحتی در رگ‌ها‌ی ما جریان پیدا کرده و گلبول‌ها‌ی خونی ما را با خود حمل کند.  همچنین به‌دلیل قدرت حلالی بالا، به‌راحتی می‌تواند مواد مغذی مورد نیاز سوخت‌و‌ساز بدن ما را در خود حل کند. حتی چگالی پایین آب نیز برای زندگی ضروری است. اگر دریاچه‌ها و آبگیر‌ها از کف یخ می‌زدند، موجودات درون آب از بین می‌رفتند.

چگالی پایین آب همچنین باعث انبساط آب هنگام یخ زدن می‌شود. این ویژگی به شکل دادن سیاره نیز کمک کرده است. همانگونه که آب در بین شکاف سنگ‌ها یخ زده و منبسط می‌شود و سنگ‌ها و صخره‌ها را می‌شکند.

این پژوهش در PNAS منتشر شد.