آيا يخ در طبيعت فقط بر اثر سرما ايجاد مي شود ؟

آيا يخ در طبيعت فقط بر اثر سرما ايجاد مي شود؟ براي اغلب مردم، درست كردن يخ كار ساده اي است: كافي است يك ظرف آب را در فريزر قرار دهيم. اما شيميداني به نام «يون مي چوي» Eun Mi Choi و همكارانش در دانشگاه ملي سئول در كره جنوبي به اين مسئله به گونه اي ديگر مي نگرند. براي آنها درست كردن يخ از طريق كاهش دما تا زير نقطه انجماد آب، آخرين گزينه محسوب مي شود و نه اولين گزينه. اين محققان ترجيح مي دهند با قرار دادن آب در معرض ميدان هاي الكتريكي يخ درست كنند و شگفت انگيزتر آنكه اين كار را در دماي اتاق انجام مي دهند اما همانطور كه «دنيس ويتلي» (Denys Wheatley) زيست شناس سلولي دانشگاه آبردين انگلستان كه بر روي تاثير آب بر سيستم هاي زنده تحقيق مي كند نيز اذعان دارد، ايجاد يخ در دماي اتاق يا اصطلاحا «يخ داغ» واقعا حيرت انگيز است چراكه قرن هاي متمادي تصور بشر آن بود كه ايجاد يخ فقط با سرما ميسر است. آزمايش موفقيت آميز «چوي» كه چند ماه پيش صورت گرفت سرانجام به جست وجويي چند ساله در مورد نحوه تشكيل «يخ داغ» پايان داد. اما نتيجه غيرمنتظره اين آزمايش شگفت انگيز سئوال جديدي را نيز براي دانشمندان مطرح كرد. آزمايش «چوي» حاكي از آن است كه نه تنها تبديل آب ولرم به يخ توسط اعمال ميدان الكتريكي، كاري شدني است بلكه شدت ميدان لازم براي اين كار نيز به طور غيرمنتظره اي پايين است، آنقدر پايين كه به سهولت مي توان ميدان هاي مشابهي را در گوشه و كنار طبيعت از شكاف ميان تخته سنگ ها و خلل و فرج ذرات خاك معلق در هوا گرفته تا فضاي ميان پروتئين ها در سلول هاي بدن يافت. به همين علت تحقيقات اخير پس از كشف «يخ داغ»، بر روي اين پرسش متمركز شده است كه آيا «يخ داغ»، به طور طبيعي در طبيعت نيز شكل مي گيرد اما بازگرديم به داستان كشف «يخ داغ». داستان تشكيل يخ در دماي اتاق با كشفي به ظاهر تصادفي توسط يك دانشمند علم مواد به نام «ياكوب كلين» Jacob Klein در مؤسسه علوم ويزمان Weizmann در اسرائيل آغاز شد. او متوجه شد كه مايعات آلي محصور شده مابين صفحاتي از جنس ميكا كه تنها چند نانومتر با همديگر فاصله گرفته اند در دمايي بسيار بالاتر از حالت معمول خود منجمد مي شوند. همين مسئله سبب شد تا او به اين فكر بيفتد كه شايد به روشي مشابه بتوان در دماي اتاق يخ ايجاد كرد. اينگونه بود كه كلين شش سال بعد را صرف آزمايش بر روي آب و ديگر مايعات كرد. آزمايش هاي او براي منجمد كردن اغلب مايعات در دماي اتاق موفقيت آميز بود اما در مورد آب خير. مي دانيم كه آب يك مايع معمولي نيست. در حالي كه اغلب مواد در حالت جامد خود، چگال تر از حالت مايع هستند اما موضوع در مورد آب برعكس است به همين دليل هم كوه هاي يخ در آب شناور مي مانند چراكه آب، پس از انجماد، منبسط شده و نتيجتا چگالي يخ، كم تر از چگالي آب است. نهايتا «كلين» به اين نتيجه رسيد كه محصور كردن مولكول هاي آب در فضاي تنگ مابين صفحات جامد خود به عنوان مانعي براي انجماد آب عمل مي كند. به همين دليل هم او از ادامه آزمايش خود بر روي آب منصرف شد. اما «كلين» يك عامل حياتي را كه براي ايجاد يخ در دماي اتاق لازم است نديده بود و آن، ميدان الكتريكي بود. اما همين كه كلين پروژه تحقيقاتي خود را متوقف كرد دو زيست فيزيكدان به نام هاي «رونن زانگي» Ronen Zangiو «آلن مارك» Alan Mark كه در آن زمان در دانشگاه گرونينگن در هلند بودند، ادامه تحقيق را به دست گرفتند. اين دو محقق موفق به انجام يك شبيه سازي رايانه اي شدند كه نشان مي داد در هنگام اعمال يك ميدان الكتريكي چه اتفاقي براي مولكول هاي آب محصور ميان صفحات جامد خواهد افتاد. از آنجايي كه دو اتم هيدروژن موجود در مولكول آب داراي بار جزيي مثبت بوده و اتم اكسيژن اين مولكول نيز بار جزيي منفي دارد بنابراين اعمال ميدان الكتريكي بر روي آب مي تواند جهت گيري هاي تصادفي مولكول هاي آب را تغيير داده و آنها را همانند مولكول هاي جامدات منظم كند. شبيه سازي هاي «زانگي» و «مارك» حاكي از آن است كه اين ميزان نظم مي تواند به حدي باشد كه حتي در دماي اتاق هم آب را منجمد و جامد گرداند. «مارك» دراين باره مي گويد: «با يك ميدان الكتريكي قوي حتي مي توان يك ليوان پر از آب را در دماي اتاق به يخ تبديل كرد.» اما هيچ كس نتوانسته بود صحت اين پيش بيني را حتي با مقادير بسيار جزيي آب به طور تجربي نشان دهد تا اينكه نوبت به «چوي» رسيد. «چوي» و همكارانش ابتدا لايه نازكي از آب را مابين يك صفحه و يك سوزن بسيار باريك فلزي محصور كردند. سپس ميدان الكتريكي ضعيفي را مابين سوزن و صفحه فلزي اعمال كرده و سر سوزن را به تدريج به صفحه نزديك كردند. هنگامي كه سر سوزن فقط چند نانومتر با صفحه فلزي فاصله داشت، سوزن به مانعي برخورد كرد و ديگر جلوتر نرفت. اين مانع، در واقع لايه اي از يخ بود و بدين ترتيب «چوي» براي اولين بار در جهان موفق به ايجاد «يخ داغ» شده بود. اما آنچه محققان را به طور خاص شگفت زده كرد آن بود كه ايجاد «يخ داغ» با اعمال شدت ميداني در حدود يك ميليون ولت بر متر ميسر شده بود. اگرچه ممكن است اين شدت ميدان، زياد به نظر برسد اما برعكس تصور شما، اين ميدان در حدي است كه به راحتي مي توان مشابه آن را در بسياري از نقاط طبيعت يافت. به عنوان مثال، در ميان خلل و فرج ذرات خاك معلق در هوا، بار الكتريكي كافي براي ايجاد چنين شدت ميداني وجود دارد. چنين ميداني مي تواند حتي در هواي معتدل نيز توده اي از مولكول هاي آب را به بلورهاي بسيار كوچك يخ تبديل كند. بدين ترتيب پديده «يخ داغ» ممكن است بتواند نحوه تشكيل ابرها در آسمان را كه سال هاست به شكل يك راز سر به مهر باقي مانده و دانشمندان علوم جوي را سردرگم كرده است تبيين كند براي توضيح بيشتر در اين مورد، به حاشيه مقاله با عنوان «ابرها هيچگاه فراموش نمي كنند» مراجعه كنيد. به همين ترتيب، ميدان هاي الكتريكي موجود مابين غشاء سلول هاي عصبي و يا سطوح پروتئين ها و پلي ساكاريدها نيز مي توانند به اندازه كافي شديد باشند كه منجر به شكل گيري ذرات بسيار كوچك يخ در درون سلول ها شوند. «ويتلي» معتقد است كه بدين ترتيب، به زودي جست وجو براي يافتن «يخ داغ» در حفره هاي درون پروتئين ها نيز آغاز خواهد شد. او مي گويد: «در فواصل بسيار كوچك در سطح پروتئين ها مي توان ميدان هاي الكتريكي بسيار شديدي را يافت.» درواقع ممكن است نشانه هايي از وجود «يخ داغ»، پيش از اين نيز بدون آنكه كسي متوجه آن شده باشد خود را بروز داده باشد. شيميدان هايي كه ميزان تحرك مولكول هاي آب را مطالعه مي كردند دريافته بودند كه حركت اين مولكول ها در اطراف يون هايي كه داراي دو يا سه بار مثبت هستند نظير يون هاي كلسيم و كروم به شدت كند مي شود. ميزان اين كند شدن به حدي است كه مولكول هايي كه در لايه هاي نزديك اين يون ها قرار دارند ممكن است تا پيش از آنكه جاي خود را به ديگر مولكول ها بدهند حتي تا يك ساعت تمام همانطور در اطراف يون مزبور باقي بمانند. اما همين مولكول ها در اطراف يون هاي تك بار نظير پتاسيم و سديم برعكس بسيار پرجنب و جوش هستند. در واقع ممكن است حركت كند آب در اطراف يون هاي با بيش از يك بار مثبت، نشانه اي از انجماد آب در حضور ميدان الكتريكي اطراف يون باشد. «ويتلي» معتقد است كه پيامدهاي كشف اين رفتار شگفت انگيز آب بسيار تكان دهنده خواهد بود. آب بستر حيات محسوب مي شود و چنانچه ويژگي هاي اين بستر حتي اندكي هم تغيير كند منجر به تحول بيش از يكصد عامل ديگر در سلول ها خواهد شد. «ويتلي» ادامه مي دهد: «به نظر مي رسد كه آب يعني همان مايعي كه بيشترين بخش بدن ما را تشكيل مي دهد هنوز هم جزء ناشناخته ترين عوامل طبيعت است. ويژگي هاي ناشناخته اين مايع حيات بخش، هنوزهم پس از قرن ها تحقيق علمي، ما را شگفت زده مي كند.»