اگر مولکول‌های آب در مجراهای کوچکی محصور شوند، رفتارشان حاصل در‌همتنیدگی کوانتومی شش ساختار مختلف است که شباهت اندکی به ساختار مولکول‌های آزاد آب دارد.
به گزارش دیده بان علم ایران، فیزیکدانانی در آمریکا و انگلستان با استفاده از پراکندگی نوترونی، اتمهای هیدروژن را در مولکول‌های آب محصور در کانی بریل (beryl) مکان‌یابی کرده‌اند و دریافته‌اند که این اتم‌ها بین شش ساختار تونل‌زنی می‌کنند. محققان دریافته‌اند که بر خلاف آب معمولی، گشتاور دوقطبی الکتریکی مولکول‌های محصور صفر است. این پژوهش می‌تواند به درک رفتار آب محصور در فضاهای کوچکی مانند غشای سلول‌های زنده کمک کند.
تونل‌زنی پدیده‌ای کاملا کوانتومی است که در آن یک ذره می‌تواند از میانه یک سد انرژی عبور کند بی آنکه انرژی کافی را برای صعود از آن داشته باشد. پژوهشگران پیشتر مشاهده کرده بودند که اتمهای هیدروژن از قسمتی از مولکول به قسمتی دیگر تونل می‌زنند. برای مثال در گروه‌های متیل و آمونیاک، تونل‌زنی به شکل دوران اتمهای هیدروژن به دور یک محور مولکولی اتفاق می‌افتد. اکنون، الکساندر کولسنیکف (Alexander Kolesnikov) از آزمایشگاه ملی اوک‌ریج و همکارانش در آمریکا و انگستان توانسته‌اند تونل‌زنی اتمهای هیدروژن را در مولکول‌های منفرد آب درون مجراهای بلور بریل مشاهده کنند.
پهنای این مجراها حدود ۰.۵ نانومتر است که تنها برای یک مولکول آب کافی است. مطالعات قبلی با استفاده از طیف‌سنجی تراهرتز، پیشنهاد کرده‌اند که تونل‌زنی هیدروژن در آب محصور در بریل نیز دورانی است. اکنون کولسنیکف و همکارانش این اثر را در دو آزمایش مجزا تکرار کرده‌اند؛ یکی در چشمه نوترون اسپالاسیون (SNS) در اوک‌ریج و دیگری چشمه نوترون ISIS متعلق به آزمایشگاه اپلتون رادرفورد در انگلستان.
گروه SNS پرتویی از نوترون‌های «سرد» کم‌انرژی را به مولکول‌های آب محصور در بریل تاباند. نوترون‌ها در عین پراکندگی می‌توانند انرژی کسب کنند یا از دست بدهند که به دلیل جفت‌شدگی با گذار حالات دورانی اتمهای هیدروژنی است. نتیجه طیفی از انرژی نوترونی است که ۷ قله متمایز دارد. آزمایش‌ها در دمای ۵۰-۵ کلوین صورت گرفتند و با افزایش دما قله‌ها کوچک شدند. این امر در صورتی قابل انتظار است که این قله مربوط به تونل‌زنی باشند زیرا با افزایش دما، حرکت گرمایی اتم‌ها اثرات کوانتومی را از پنهان می‌کند.
ساختار بلوری بریل معدنی که شامل اتمهای سیلیسیم (آبی)، آلومینیم (آبی-خاکستری)، اکسیژن (قرمز) و بریلیم (سبز) است. مولکول‌های آب در مرکز چهار مجرا نشان داده شده‌اند که در رئوس متوازی‌الاضلاع آبی نقطه‌چین قرار گرفته‌اند. اتم اکسیژن در هر مولکول آب یک کره سیاه است و شش ساختار دورانی اتمهای هیدروژن به دور آن با صورتی نشان داده شده‌اند.
مجراهای بریل به شکل یک لوله شش‌ضلعی هستند و مولکول‌های V شکل آب (دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن) درون مجرا طوری قرار می‌گیرند که مولول اکسیژن در مرکز مجرا و هیدوژن‌ها در بالا و پایین مجرا جای می‌گیرند. مولکول‌های هیدروژن می‌توانند در شش حالت قرار بگیرند (دوران‌های ۶۰ درجه). با این که یک سد انرژی میان این شش حالت وجود دارد، اتمهای هیدورژن می‌تواند از یک جهت‌گیری به دیگری تونل بزنند که منجر به طیفی از حالات دورانی می‌شود. محاسبات این گروه نشان می‌دهد که ۷ قله مشاهده شده در پراکندگی نوترونی معادل گذار میان این حالات تونل‌زنی دورانی است.
این محققان همچنین علاقمند به مطالعه جایگزیدگی اتمهای هیدورژن بودند. این بخش از آزمایش با استفاده از پراکندگی نوترونی ناکسشان عمیق (DINS) در ISIS انگلستان انجام شد. با تاباندن پرتویی از نوترون‌های پرانرژی‌تر به آب محصور در بریل و اندازه‌گیری انتقال تکانه بین نوترون‌ها و اتمهای هیدروژن، گروه توزیع تکانه و انرژی جنبشی اتم‌ها را تعیین کرد. آن‌ها دریافتند که انرژی جنبشی اتم‌ها حدود ۷۰٪ انرژی اندازه‌گیری شده در آب نامحصور است. بنابراین مکان اتم‌ها در آب محصور در بریل در مقایسه با آب آزاد بسیار نامعین است.
به نوشته تارنمای انجمن فیزیک، این گروه در مقاله خود در Physical Review Letters می‌نویسد که مولکول‌های محصور «حالت جدیدی از مولکول آب» هستند حالتی حلقه‌ای با تقارن شش-باره. محققان باور دارند که چنین مولکولی فاقد گشتاور دوقطبی الکتریکی است که مسئول خواص آشنای آب همچون نقطه جوش نسبتا بالا و حلالیت آن است. بنابراین این پژوهش نشان می‌دهد که مولکول‌های آب محصور در فضاهای کوچک همچون غشای سلول‌های زنده چطور رفتار متمایزی دارند.
انتهای پیام