بدون وجود پیوندهای هیدروژنی، مولکول‌های آب بر اساس برهم‌کنش قطب‌های مثبت و منفی کنار هم چیده می‌شوند؛ رسیدن به چنین چیدمانی از مولکول‌های آب چیزی است که محققان سال‌ها برای رسیدن به آن تلاش کرده بودند.

شاید با خواندن این خبر در نگاه نخست کمی سردرگم شویم، اما برای روشن شدن موضوع می‌توانیم اشاره کنیم، همانطوری که شکر در داخل آب حل می‌شود، در آزمایش فوق نیز مولکول‌های آب به جای  چسبیدن به یکدیگر، وارد ساختار زمرد شدند.

دلیل جالب بودن پدیده‌ی فوق که با عنوان فروالکتریسیته (ferroelectricity) شناخته شده، این است که پدیده‌ی اخیر قبلا توسط مدل‌های کامپیتری شبیه‌سازی شده بود، اما هیچگاه به صورت آزمایشگاهی ثابت نشده بود.

گمان می‌رود این رفتار نادر آب که باعث به وجود آمدن میدان‌های الکتریکی کوچک می‌شود، در داخل سلول‌های بدن خودمان نیز نقش مهمی داشته باشد. محققان در Nature Communications در توضیحات خود پیرامون این پژوهش نوشته‌اند:

ممکن است رفتار فروالکتریکی آب نقش مهمی در عملکرد سیستم بیولوژیک داشته باشد. همین طور می‌توانیم کاربردهای آن را در سلول‌های حافظه، ساطع‌کننده‌های نور و سایر نانو‌ابزار‌ها پیدا کنیم.

بهتر است در این قسمت ابتدا به معلومات قبلی خودمان در مورد آب و ساختار آن نگاهی کنیم، چون برای درک اهمیت این کشف باید اندکی در مورد طبیعت آب اطلاعات داشته باشیم. همانطور که تقریبا همه‌ی ما می‌دانیم، آب از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده است. این دو اتم هیدروژن به مقدار کمی دارای قطبیت مثبت هستند و اتم اکسیژن نیز اندکی بار منفی دارد و همین امر آب را تبدیل به یک دو قطبی می‌کند.

مولکول‌های آب به خاطر وجود قطب منفی، دارای نیروی قابل ملاحظه‌ای هستند. این نیرو با عنوان گشتاور دوقطبی نیز شناخته می‌شود. به خاطر وجود این نیرو، در فیزیک حالت جامد انتظار می‌رود که آب حالتی از خود را نشان دهد که آن را فروالکتریسیته می‌نامیم. حالت فروالکتریسیته به این معنی است که وقتی ماده‌ای سرد می‌شود، دوقطبی‌های آن ماده خود را در قالب یک الگو آرایش می‌دهند. این پدیده همانند حالت فرومغناطیس است؛ اما همراه با بار الکتریکی.

اما در آب به صورت مایع، این چیدمان فروالکتریکی اتفاق نمی‌افتد، چون مولکول‌های آب چنان در نزدیکی یکدیگر قرار گرفته‌اند که پیوند قوی اما با برد کوتاه هیدروژنی بر سایر نیروها غلبه می‌کند.

پیوند هیدروژنی در نتیجه‌ی جاذبه‌ی بین بار منفی اکسیژن و بار مثبت هیدروژن از یک مولکول دیگر به وجود می‌آید. این امر باعث می‌شود که مولکول‌ها به طور پیوسته و به شکل بی‌نظمی کنار یکدیگر  حرکت کنند و به این ترتیب پیوند هیدروژنی بر نیروهای دوقطبی با برد طولانی غلبه می‌کند.

اما یک تیم روسی تصمیم گرفتند که مولکول‌های آب را به حدی از هم دور کند تا پیوند هیدروژنی تاثیر خود را از دست بدهد. آنها این کار را با اضافه کردن آب به زمرد انجام دادند، در این حالت مولکول‌های آب داخل حفره‌های موجود در ساختار کریستال زمرد به دام می‌افتند. این عمل باعث می‌شود مولکول‌های آب از هم دور شوند و به تبع آن پیوند هیدروژنی تضعیف شده و در نهایت نیروهای دوقطبی اثر خود را نشان می‌دهند.

وقتی محققان این کار را انجام دادند، برای اولین بار مشاهده شد که آب مایع، خاصیت فروالکتریسیته‌ی خود را نشان می‌دهد و گشتاورهای دوقطبی باعث ایجاد الگوی چیدمان مولکول‌های آب می‌شوند. به عبارت دیگر، آب مایع دارای شکلی نبوده است که همه ما از آن سراغ داریم؛ بلکه مانند آب به صورت جامد (یخ)  دارای شکل منظم شده بود. سرپرست تیم تحقیقاتی، بوریس گورشینف (Boris Gorshunov) در این باره می‌گوید:

ما با موفقیت توانستیم مولکول‌های آب را در شرایطی قرار دهیم که بتوانیم برای اولین بار، یک تصویر قابل اعتماد از چیدمان دوقطبی مولکول‌های آب به دست آوریم.

همانطور که در دیاگرام پایین می‌بینیم، پیکان‌های با رنگ قرمز نشانگر گشتاور دوقطبی است و ساختارهای رنگ سبز نیز همان نانو حفره‌های موجود در زمرد هستند.

آقای گورشینف در این باره توضیح می‌دهد:

در مورد کاربرد این کشف باید بگویم که یافته‌ی ما می‌تواند دارای کاربردهای بسیاری باشد. باید به این نکته توجه کرد که محققان، اکنون این فرصت را دارند که این پدیده را تحت نیروهای خارجی و در شرایط متفاوت بررسی کنند... و می‌توانند درک ما ازین پدیده و نقش آن در سیستم‌های مختلف مانند ارگانیسم‌های زنده را بهتر کنند.

این نه تنها یک کشف فیزیکی قابل توجه است، بلکه می‌تواند دانسته‌های ما از ویژگی‌ها و رفتارهای عجیب آب را که یکی از پایه‌های حیات است، بیشتر کند. حال باید منتظر باشیم و ببینیم که کشفیات جدید محققان در این زمینه چه خواهد بود. گفتنی است که نتایج این تحقیق در ژورنال Nature Communications  چاپ شده است.