طراحی روشی جدید برای جلوگیری از یخ زدن آب

دانشمندان به کمک یک غشای لیپیدی زیستی آبی ایجاد کرده اند که حتی در دمای صفر مطلق نیز یخ نمی زند.

  1. ۱ هفته قبل
طراحی روشی جدید برای جلوگیری از یخ زدن آب
به گزارش نوداد (سکوی اجتماعی خبر)

یخ طبیعتی پیچیده دارد. درحالی که ما فقط با یک نوع از آن در تماس قرار گرفته ایم، دانشمندان از وجود حدود ۲۰ نوع ملکولی مختلف آن آگاهی دارند. برخی از آن ها چنان اسرارآمیز و نادر هستند که تنها درون شبیه سازی های کامپیوتری یا در اعماق سیاره های دور وجود دارند. اما فقط به خاطر اینکه آب می تواند از روش های بسیار مختلفی به حالت جامد تبدیل شود، نمی توان گفت یخ زدن آن حتمی و غیرقابل اجتناب است.

در آزمایشی جدید، دانشمندان توانستند آبی ایجاد کنند که ظاهرا هیچ گاه به یخ تبدیل نمی شود، حتی وقتی در دماهای نزدیک صفر مطلق قرار می گیرد. روش های مختلفی برای ایجاد این آبِ به اصطلاح «انجماد ناپذیر» وجود دارد اما دانشمندان به طور پیوسته روش های جدیدی برای آزمایش محدودیت های این تکنیک ها پیدا می کنند. برخی از آن ها شامل مطالعه ی چیزی است که با عنوان یخ آمورف (بدون شکل) شناخته می شود؛ یک شکل غیرمتبلور ولی جامد از آب که هیچ گاه یخ نمی زند؛ زیرا در وضعیتی قرار دارد که مولکول های آن نمی توانند متبلور شوند.

در سال گذشته، دانشمندان کشور سوئد موفق شدند بدون تشکیل یخ، دمای آب مایع را به حدود ۴۵- درجه ی سانتیگراد برسانند؛ اما به تازگی، پژوهشگران سوئیسی از این هم فراتر رفتند. پژوهشگران دانشگاه ETH زوریخ و دانشگاه زوریخ با استفاده از فرم نانومحدودی از ملکول های آب و به کمک غشاهای سنتزی لیپیدی، توانستند بدون اینکه آب منجمد شود، دمای آن را به ۲۶۳- درجه ی سانتیگراد یعنی درست ۱۰ درجه بالاتر از صفر مطلق برسانند. نویسندگان در مقاله ی خود توضیح می دهند:

محدودیت فیزیکی آب در مقیاس نانو می تواند نقش مهمی در کنترل ویژگی های آن داشته باشد. به خصوص، محدود شدن در دامنه ی نانومتر می تواند از آرایش ملکول های آب به شکل ساختار یخ جلوگیری کند و بنابراین از متبلور شدن آن در دماهای زیر صفر ممانعت به عمل آورد و حالتی از آب غیرمتبلور ایجاد کند.

برای به دام انداختن ملکول های آب، پژوهشگران ساختار جدیدی از ملکول های چربی را به نام «مزوفاز لیپیدی» تولید کردند.

مزوفاز لیپیدی

مدل سه بعدی مزوفاز لیپیدی

در این ساختار، ملکول های چربی چنان در هم می آمیزند که یک شبکه ی بی نهایت نازک از مجاری متصل به هم تشکیل می شود که هر کدام از آن ها قطری کمتر از یک نانومتر دارد. وقتی مولکول های آب در این مجاری ریز به دام می افتند، به شکل مایع می مانند و این فضا چنان محدود است که در سطح مولکولی امکان تشکیل یخ وجود ندارد، حتی وقتی مزوفاز لیپیدی با استفاده از هلیوم مایع سرد شود و دمای آن به حدود ۱۰ درجه ی کلوین (۲۶۳- درجه سانتی گراد) برسد. پژوهشگران می گویند علت این شاهکار نانومحدود، تغییرات ملکولی درون ساختار اتمی ماده ی چربی است که موجب آرایش مجدد بخش های آب دوست و آب گریز مزوفاز می شود. ایهود لاندائو از دانشگاه زوریخ می گوید:

وجه تمایز ساختار لیپیدی ما، وارد کردن حلقه های سه غشایی بسیار فشرده در موقعیت های خاص درون بخش های آب گریز ملکول ها است. این امر موجب می شود خمیدگی های لازم برای تشکیل مجاری ریز آب فراهم شود و از متبلور شدن لیپیدها نیز ممانعت شود.

غشای لیپیدی

غشایی منشعبی که آب را محبوس می کند به رنگ آبی دیده می شود

درحالی که در این دماهای بسیار پایین آب متبلور نمی شود، آب یک حالت شیشه مانند پیدا می کند؛ حالتی از ماده که جامد است ولی یخ نیست. باتوجه به اینکه بلورهای یخ هرگز تشکیل نمی شوند، پژوهشگران می گویند که غشاهای مزوفاز لیپیدی می توانند روزی به دانشمندان کمک کنند تا بتوانند مواد پروتئینی را بدون اینکه به آن ها آسیبی وارد شود و به شکل طبیعی خود در دماهای پایین نگه داری کنند یا به ما کمک می کند راه هایی را برای جلوگیری از یخ زدن آب پیدا کنیم. رافائل مزنگا از دانشگاه ETH می گوید:

هدف ما کاربردهای عجیب و غریب نبوده است. تمرکز اصلی ما این بود که ابزاری جدید برای تسهیل مطالعه ی ساختارهای ملکولی در دماهای پایین بدون حضور بلورهای مداخله کننده ی یخ توسعه دهیم و نیز به درک این موضوع کمک کنیم که چگونه دو مولفه ی اصلی حیات یعنی آب و چربی در شرایط شدید دمایی و محدودیت های هندسی با هم تعامل برقرار می کنند.