Φυσικοί ανακαλύπτουν μια νέα κβαντική κατάσταση του νερού σε νανοσωλήνες

Οι παράξενες και ζωοποιές ιδιότητες του νερού θα μπορούσαν να εξηγηθούν, τουλάχιστον εν μέρει, από την κβαντομηχανική. Αυτό λέει μια ομάδα φυσικών από την Αγγλία και τις ΗΠΑ, που έχουν κάνει εξαιρετικά ευαίσθητες μετρήσεις των πρωτονίων σε μικροσκοπικά δείγματα του νερού. Έτσι, έχουν διαπιστώσει ότι αυτά τα πρωτόνια συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά με αυτά που βρίσκονται σε πολύ μεγαλύτερο δείγμα.


Το νερό έχει μια σειρά από χαρακτηριστικά που το θέτουν μακράν από άλλες ουσίες και οι οποίες την καθιστούν ιδιαίτερα κατάλληλη για την διατήρηση της ζωής. Για παράδειγμα, το γεγονός ότι είναι λιγότερο πυκνό ως στερεό παρά ως υγρό και ότι η μέγιστη πυκνότητα εμφανίζεται στους 4° C, που σημαίνει ότι οι λίμνες παγώνουν από την κορυφή προς τα κάτω και όχι από κάτω προς τα πάνω – κάτι που ήταν ζωτικής σημασίας για τη διατήρηση της ζωής κατά τη διάρκεια των εποχών των παγετώνων.
Στην τελευταία του έρευνα, ο George Reiter από το Πανεπιστήμιο του Χιούστον και οι συνεργάτες του μελέτησαν λεπτομερώς το κλειδί για τις ασυνήθιστες ιδιότητες του νερού – τον δεσμό του υδρογόνου. Αυτός ο δεσμός ασκείται μεταξύ των μορίων του νερού, συνδέοντας το άτομο του οξυγόνου ενός μορίου με το άτομο του υδρογόνου σε ένα άλλο δεύτερο μόριο. Οι δεσμοί του υδρογόνου συνήθως θεωρούνται κυρίως ως ηλεκτροστατικό φαινόμενο, με άλλα λόγια ότι το νερό αποτελείται από διακριτά μόρια που συνδέονται μεταξύ τους μέσω των θετικών και των αρνητικών φορτίων (που βρίσκονται στα άτομα του υδρογόνου και οξυγόνου, αντίστοιχα). Αυτή η απλή εικόνα είναι σε θέση να εξηγήσει ορισμένα από τα χαρακτηριστικά του νερού, όπως την δομή του – οι δε προβλέψεις του μοντέλου συμφωνεί αρκετά καλά με τα αποτελέσματα των πειραμάτων σκέδασης με νετρόνια, που αποκαλύπτουν πόσο απόσταση κατά μέσον όρο έχει ένα άτομο οξυγόνου από το επόμενο.
Κακές προβλέψεις πρωτονίων
Αυτό που βρήκε ο Reiter και η ομάδα του, ωστόσο, είναι ότι αυτό το ηλεκτροστατική πρότυπο δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προβλέψει τις ενέργειες των μεμονωμένων πρωτονίων μέσα στα μόρια του νερού. Σε αυτό το συμπέρασμα ήρθαν αφού περιόρισαν νερό στο εσωτερικό νανοσωλήνων άνθρακα διαμέτρου μόνο 1,6 nm, και, στη συνέχεια, εξέθεσαν τους εν λόγω νανοσωλήνες σε νετρόνια υψηλής ενέργειας από μια πηγή νετρονίων στο Εθνικό Εργαστήριο Rutherford Appleton ISIS στη  Μεγάλη Βρετανία. Τα νετρόνια υψηλής ενέργειας σημαίνει ότι αυτά αναπηδούν από τα πρωτόνια μέσα στο νερό πριν τα πρωτόνια που ‘συγκρούστηκαν’ είχαν την ευκαιρία να αλληλεπιδράσουν με το περιβάλλον τους. Έτσι οι ερευνητές κατάφεραν να αποκτήσουν μια άμεση μέτρηση της κατανομής της ορμής και της κινητικής ενέργειας των πρωτονίων.
Βρήκαν λοιπόν ότι η κατανομή της ορμής των πρωτονίων εξαρτάται πάρα πολύ από τη θερμοκρασία, πολύ περισσότερο από ότι προβλέπει το ηλεκτροστατικό μοντέλο στις χαμηλές θερμοκρασίες και κατά 20% περισσότερο σε θερμοκρασία δωματίου. Το ηλεκτροστατικό μοντέλο δίνει σε γενικές γραμμές τις σωστές τιμές για μεγάλες μάζες νερού σε θερμοκρασία δωματίου.
Η ομάδα υποστηρίζει ότι αυτό αποτελεί απόδειξη ότι τα πρωτόνια υπάρχουν σε μια κβαντική κατάσταση που δεν είχε παρατηρηθεί πριν, όταν όμως το νερό περιορίζεται σε ένα πολύ μικρό όγκο – μία κατάσταση που δεν περιγράφεται από το συνηθισμένο ηλεκτροστατικό μοντέλο.
Σύμφωνα με τον Reiter, η θεμελιώδης κβαντική κατάσταση που έχουν εντοπίσει θα μπορούσε να είναι άκρως σημαντική για τη ζωή, επειδή το περιοριστικό μήκος που χρησιμοποίησαν στα πειράματά τους – περίπου 2 nm – είναι περίπου ίσο με τις αποστάσεις μεταξύ των δομών εντός των βιολογικών κυττάρων.
"Πιστεύω ότι η κβαντομηχανική των πρωτονίων στο νερό έχει διαδραματίσει σπουδαίο ρόλο στην ανάπτυξη της κυτταρικής ζωής, αλλά εμείς ποτέ δεν το είχαμε πρόσεξα πριν», συμπληρώνει.
Δημοσίευση σχολίου