چرا آب شگفت انگیز است ؟؟...

[prof-m-hamidain]

[font=Tahoma,sans-serif]آب، فراوان‌ترين مايع و به ‌جرات مهم‌ترين مايعي است كه روي زمين وجود دارد؛[/font]

[font=Tahoma,sans-serif]

[/font][font=Tahoma,sans-serif]اما اهميت آن به پديده‌هاي زيستي منحصر نمي‌شود. ويژگي‌هاي فيزيكي آب در مقايسه با[/font]

[font=Tahoma,sans-serif]

[/font][font=Tahoma,sans-serif]ديگر مواد روي زمين، بي‌نظير است[/font]

[font=Tahoma,sans-serif]

.<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-comfficeffice" /><o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif]اين واقعيت كه يخ شناور مي‌شود، اولين مورد عجيب اين ماده است. زماني معما عميق‌تر مي‌شود كه با استفاده از يك دماسنج دماي آب را در اعماق مختلف اندازه بگيريد. در بالا و در نزديك قالب يخ، مي‌بينيد كه دماي آب نزديك به صفر درجه است، اما در انتهاي ليوان دما به 4 درجه مي‌رسد.[/font][font=Tahoma,sans-serif]<o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif]دليل آن اين است كه چگالي آب در دماي 4 درجه سلسيوس، از هر دماي ديگري بيشتر است (يك ويژگي عجيب ديگر كه آن را از هر مايع ديگري متمايز مي‌سازد).<o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif] خواص عجيب آب همچنان ادامه دارد و برخي از آنها براي زندگي حياتي هستند. به دليل اينكه چگالي يخ از آب كمتر است و چگالي آب در نقطه انجماد كمتر از زماني است كه آب تا چهار درجه گرم‌تر باشد، آب نسبت به ته ليوان، از بالا به پايين منجمد مي‌شود. بنابراين حتي در طول عصر يخ بندان، زندگي در اعماق درياها و اقيانوس‌ها همچنان ادامه داشت.<o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif]آب ظرفيت خارق‌العاده‌اي براي گرفتن گرما دارد و اين به ملايم‌تر كردن تغييرات آب‌و هوايي كمك مي‌كند، كه در غير اين صورت مي‌تواند اكوسيستم‌ها را نابود كند.<o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif]با اين حال، به رغم اهميت بسيار زياد آب براي حيات، هيچ نظريه واحدي دست كم تا كنون نتوانسته يك توضيح قابل قبول براي خصوصيات اسرارآميز آن ارائه كند. اگر ما بتوانيم نظريات اندرس نيلسون از فيزيكدانان دانشگاه استنفورد كاليفرنيا، و لارس پترسون از دانشگاه استكهلم سوئد، و همكاران اين دو را بپذيريم؛ بالاخره توانسته‌ايم به دليل واقعي خيلي از اين خصوصيات غير عادي پي ببريم.<o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif]نظريات جنجالي اين دو، بسط دهنده نظريه‌اي است كه بيش از يك قرن پيش از اين توسط ويلهلم رونتگن، كاشف اشعه ايكس، ارائه شده است. او ادعا كرده بود كه مولكول‌ها در آب مايع آن گونه كه در كتاب‌هاي امروزي مي‌بينيم، تنها از يك طريق به هم نپيوسته‌اند، بلكه اين اتصال از دو مسير كاملا متفاوت انجام مي‌شود.<o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif]ساختار اسرارآميز آب[/font][font=Tahoma,sans-serif]<o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif]كليد فهم اسرار آب، نحوه تعامل مولكول‌هاي آن با همديگر است، مولكول‌هايي كه از يك اتم اكسيژن و دو اتم هيدروژن تشكيل شده‌اند. اتم اكسيژن بار منفي ناچيزي دارد و اتم‌هاي هيدروژن، در مجموع بار مثبتي معادل آن دارند. به همين ترتيب، اتم‌هاي هيدروژن و اكسيژن مولكول‌هاي همسايه، از طريق تشكيل پيوندي به نام پيوند هيدروژني به همديگر جذب مي‌شوند.پيوندهاي هيدروژني، خيلي ضعيف‌تر از پيوندهايي هستند كه اتم‌ها را در مولكول‌ها در كنار هم قرار مي‌دهند، و به همين دليل همواره در حال گسيختن و بازپيوستن هستند.<o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif]اين پيوندها هنگامي به حداكثر قدرت خود مي‌رسند كه مولكول‌ها به نحوي كنار هم قرار گرفته باشند كه هر پيوند هيدوژني در امتداد يك پيوند مولكولي قرار بگيرد. شكل يك مولكول آب به نحوي است كه هر مولكول [/font][font=Tahoma,sans-serif]H2O[/font]

[font=Tahoma,sans-serif]

در ميان چهار مولكول همسايه قرار مي‌گيرد و يك هرم با قاعده مثلثي را تشكيل مي‌دهد، كه معمولا به نام تتراهدرون يا چهارسطحي شناخته مي‌شود.<o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif]دست كم، اين راهي است كه مولكول‌ها در يخ در كنار هم قرار مي‌گيرند. از يك ديدگاه متعارف سنتي، آب مايع يك ساختار مشابه ولي كمتر صلب دارد، كه در آن مولكول‌هاي بيشتري مي‌توانند در برخي از فضاهاي خالي در يك آرايش چهار سطحي قرار بگيرند. اين امر توضيح مي‌دهد كه چرا آب مايع از يخ چگال‌تر است، و به نظر مي‌رسد كه با نتايج آزمايش‌هاي گوناگون كه در آنها پرتوهاي ايكس، فرو سرخ و نوترون‌ها، از نمونه‌هاي آب منعكس مي‌شوند همخواني داشته باشد.برخي از فيزيكدان‌ها ادعا كرده‌اند كه آبي كه تحت شرايط به خصوصي قرار گرفته باشد، به دو ساختار كاملا متفاوت تجزيه مي‌شود. ولي اكثر آنها چنين فرض مي‌كنند كه در شرايط عادي، تنها يك ساختار وجود دارد.<o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif]اما ده سال قبل، يك كشف اتفاقي توسط پترسون و نيلسون، اين تصوير را به چالش كشيد. آنها در حال استفاده از طيف‌سنجي جذبي اشعه ايكس براي تحقيق در مورد آمينو اسيد گليسين بودند. نقاط پيك در طيف جذبي اشعه ايكس مي‌تواند ماهيت دقيق اتصالات شيميايي ماده هدف را مشخص كنند، و همچنين به تعيين ساختار آن كمك كنند.<o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif]نكته مهم اين بود كه آن دو از يك منبع جديد قدرت‌مند اشعه ايكس استفاده مي‌كردند كه مي‌توانستند با استفاده از آن، اندازه‌گيري‌هاي حساس‌تر و دقيق‌تري را نسبت به آن چه تا پيش از اين ممكن بود انجام دهند. آنها به زودي دريافتند كه آبي كه حاوي نمونه گليسين بود، طيف خيلي جالب‌تري به نسبت خود آمينو اسيد توليد مي‌كرد. نيلسون مي‌گويد: «آن‌چه ما ديديم بسيار شورانگيز بود، بنابراين ما احساس كرديم كه بايد به كنه آن پي ببريم».<o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif]توضيح غير قابل توضيح![/font][font=Tahoma,sans-serif]
توازن متغير بين دو نوع آب كه توسط نيلسون و پترسون مطرح شده بود، مي‌تواند توضيحي باشد بر اينكه چرا آب در دماي 4 درجه به بيشترين چگالي خود مي‌رسد. در نواحي آشفته مولكول‌هاي آب به هم نزديك‌‌تر هستند كه اين خود باعث چگال‌تر شدن آب نسبت به نواحي مي‌شود كه مولكول‌هاي آب در ساختار چهار سطحي منظم آرايش داده شده‌اند. در دماي صفر درجه نواحي آشفته نسبتا كمياب هستند اما زماني كه آب گرم‌تر مي‌شود، انرژي گرمايي اضافي تمايل بيشتري به لرزاندن و جدا كردن ساختارهاي منظم‌تر مي‌يابد. بنابراين مولكول‌ها زمان كمتري را در ساختارهاي منظم چهار سطحي و مدت زمان بيشتري را در نواحي آشفته سپري مي‌كنند، امري كه در مجموع باعث بيشتر شدن چگالي مي‌شود.<o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif]از سوي ديگر، زماني‌كه دما افزايش مي‌يابد، حركت مولكول‌هاي با پيوند ضعيف‌تر بيشتر خواهد شد و همين مسئله به‌تدريج آنها را وا مي‌دارد كه از هم دورتر شوند. اين بسط كه يك بار به توضيح دليل چگالي بيشينه آب در دماي چهار درجه سلسيوس بالاي صفر كمك كرده بود، اين بار نيز به توضيح دليل كاهش چگالي و افزايش حجم آب با افزايش بيشتر دماي آن كمك مي‌كند.<o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif]به عقيده پترسون، اين نظريه توضيحات كاملي را براي بسياري از خواص غيرطبيعي غير قابل توجيه ديگر آب ارائه مي‌كند. مواردي كه به ادعاي آن دو، ديگر نظريه‌ها هنوز نتوانسته‌اند به آن دست يابند. مارتين چاپلين، كه يك شيمي‌دان در دانشگاه ساوث بنك لندن است، با اين نظريه موافق است. توضيحاتي كه بر مبناي سيستم تك مولفه‌اي متعارف بودند، مجبور بودند زماني كه دماي آب تغيير مي‌كند تلاش زيادي بكنند تا بتوانند ويژگي‌هاي متعدد آب از قبيل كمينه و بيشينه را با نظريه خود سازگار كنند. چاپلين مي‌گويد: «ساختار دوگانه كاملا با آزمايش‌ها همخواني دارد و مي‌تواند خصوصيات غير عادي آب را خيلي ساده‌تر از مدل‌هاي سنتي توضيح دهد».<o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif]به مقاله سال 2004 نيلسون و پترسون در مجله ساينس تا كنون بيش از 350 بار و توسط محققين ديگر، ارجاع شده است. با اين حال، هنوز خيلي‌ها بدبين هستند. يك بدبيني اين است كه توضيح گروه در مورد نتايج طيف‌سنجي اشعه ايكس، بر مبناي شبيه سازي دست كم 50 مولكول آب در حال تعامل با هم است. يك مدل بينهايت پيچيده كه تنها مي‌تواند به طور تقريبي حل شود. ريچارد سايكالي از دانشگاه بركلي كاليفرنيا مي‌گويد: «ما نياز به يك نظريه خيلي دقيق‌تر داريم تا بتوانيم چنين ادعاي بزرگي را بپذيريم». او ادعا ميكند كه تنظيمات كوچك براي آرايش پيوندهاي هيدروژني در ساختارهاي متعارف، براي توضيح نتايج اشعه ايكس پترسون و نيلسون كفايت مي‌كنند. حتي يكي از اعضاي گروه آنها، مايكل اوبليوس از دانشگاه استكهلم، همكاري خود را با آنها قطع كرد چرا كه با تفسير آنها از داده‌هاي نشر اشعه ايكس موافق نبود.<o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif]يك نكته جزئي كه خيلي از افراد را به اين نظريه بدبين كرده بود، يك ادعا در مقاله سال 2004 بود كه مولكول‌هايي كه پيوند ضعيف‌تري دارند، تشكيل حلقه و زنجيره مي‌دهند؛ و در واقع نيلسون و همكارانش نيز اكنون كمتر در مورد جزئيات ساختار مولكولي نامنظم اظهار نظر مي‌كنند. ولي يوجين استنلي ازدانشگاه بوستون، باور ندارد كه اين امر كاملا نظريه آنها را زير سوال مي‌برد: وي مي‌گويد: «من فكر نمي‌كنم كه آنها بايد تا ابد محكوم شوند». به رغم اين كه نظريه آنها هنوز جاي كار دارد، ولي به گفته او، نتايج پراكنش اشعه ايكس شواهدي بر تاييد نظريه آنها ارائه مي‌كند.<o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif]هيچ شكي نيست كه هنوز نيلسون و پترسون با مخالفت‌هاي شديدي مواجه خواهند بود، ولي پاداش‌‌هاي يك درك فراگير از ساختار آب مايع مي‌تواند شايان توجه باشد. اين درك مي‌تواند منجر به درك بهتر از مواردي مانند چگونگي برهم‌كنش پروتئين‌ها و داروها با مولكول‌هاي آب در بدن، و در نتيجه توليد داروهاي موثرتري گردد. با دادن يك ايده بهتر از چگونگي رفتار مولكول‌هاي آب در اطراف منافذ ريز ما، مي‌تواند به تلاش‌ها براي نمك زدايي و تصفيه آب كمك كند و سطح دسترسي به آب تميز را بيشتر كند.پترسون مي‌گويد: «درك ما از آب يك تصوير در حال تكامل است. پيش از تكميل اين تصوير، ‌تحقيقات بيشتري بايد توسط گروه‌هاي مختلف انجام شود». چه كسي مي‌تواند با اين حرف مخالفت كند؟<o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif]دست كم، اين راهي است كه مولكول‌ها در يخ در كنار هم قرار مي‌گيرند. از يك ديدگاه متعارف سنتي، آب مايع يك ساختار مشابه ولي كمتر صلب دارد، كه در آن مولكول‌هاي بيشتري مي‌توانند در برخي از فضاهاي خالي در يك آرايش چهار سطحي قرار بگيرند. اين امر توضيح مي‌دهد كه چرا آب مايع از يخ چگال‌تر است، و به نظر مي‌رسد كه با نتايج آزمايش‌هاي گوناگون كه در آنها پرتوهاي ايكس، فرو سرخ و نوترون‌ها، از نمونه‌هاي آب منعكس مي‌شوند همخواني داشته باشد.<o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif]برخي از فيزيكدان‌ها ادعا كرده‌اند كه آبي كه تحت شرايط به خصوصي قرار گرفته باشد، به دو ساختار كاملا متفاوت تجزيه مي‌شود. ولي اكثر آنها چنين فرض مي‌كنند كه در شرايط عادي، تنها يك ساختار وجود دارد.اما ده سال قبل، يك كشف اتفاقي توسط پترسون و نيلسون، اين تصوير را به چالش كشيد. آنها در حال استفاده از طيف‌سنجي جذبي اشعه ايكس براي تحقيق در مورد آمينو اسيد گليسين بودند. نقاط پيك در طيف جذبي اشعه ايكس مي‌تواند ماهيت دقيق اتصالات شيميايي ماده هدف را مشخص كنند، و همچنين به تعيين ساختار آن كمك كنند.<o></o>[/font]​

[font=Tahoma,sans-serif] نكته مهم اين بود كه آن دو از يك منبع جديد قدرت‌مند اشعه ايكس استفاده مي‌كردند كه مي‌توانستند با استفاده از آن، اندازه‌گيري‌هاي حساس‌تر و دقيق‌تري را نسبت به آن چه تا پيش از اين ممكن بود انجام دهند. آنها به زودي دريافتند كه آبي كه حاوي نمونه گليسين بود، طيف خيلي جالب‌تري به نسبت خود آمينو اسيد توليد مي‌كرد. نيلسون مي‌گويد: «آن‌چه ما ديديم بسيار شورانگيز بود، بنابراين ما احساس كرديم كه بايد به كنه آن پي ببريم».<o></o>[/font]​