راز تولید برق از آب کشف شد

به گزارش اسپوتنیک به نقل از آی تابناک:بیش از 200 سال پس از این که دانشمندان شروع به تحقیق در مورد چگونگی تولید برق از مولکول های آب نمودند، یک تیم در نهایت شاهد چند و چون این مهم شده است.
جای تعجب نیست که به طور طبیعی آب هادی فوق العاده خوبی برای الکتریسیته است و این واقعیت را به بسیاری از ما از مکتب ابتدایی تا کنون آموزش داده اند. اما با وجود روند بنیادین و اساسی این رویداد، هیچ کس قادر به کشف چگونگی انجام این رخداد در سطح اتمی نشده بود.
 یکی از اعضای این تیم، McCoy  از دانشگاه واشنگتن گفت: این فرایند اساسی در کیمیا و زیست شناسی توضیح داده شده است و در حال حاضر ما به کشف مهمی راجع به ان دست پیدا کردیم و آن، چگونگی حرکت دقیق و حتمی پروتون ها از طریق ملکول های آب است.
این محققان که توسط مارک جانسون از دانشگاه ییل هدایت می شدند، با استفاده از طیف سنجی- یک فرایند است، که به دانشمندان اجازه می دهد توسط نور، وقایعی را که در داخل ملکول ها اتفاق می افتد را مشاهده کنند- قادر به مشاهده عبور مولکول های آب عبور در امتداد پروتون ها-ذرات زیر اتمی با بار مثبت- بودند.
جالب توجه است، که اگر چه آبی که در جهان اطراف شما می ببینید یک هادی بسیار خوب برای جریان برق است، اما آب کاملا خالص، که به ندرت در خارج از آزمایشگاه یافت می شود، در واقع به دلیل عدم داشتن الکترون های آزاد اصلا رسانای جریان برق نیست! اما در طبیعت، تقریبا تمام آب ها با رسوبات و مواد معدنی ترکیب شده اند که مولکول های آب را یونیزه می کند و اجازه می دهد تا آن ها به رسانای خوبی برای برق تبدیل شوند.
تا به حال، همه محققان واقعا بر این باور بوده اند، که در پیوند با این روند، H2O  یا همان آب پروتون ها را مولکول به مولکول از طریق اتم اکسیجن خود که نوعی مانند یک مسابقه مولکولی است، عبور می دهد.
این فرآیند به نام مکانیسم Grotthuss شناخته می شود و برای نخستین بار توسط شیمیدان تئودور Grotthuss در سال 1806 شرح داده شد. اتم های اکسیجن لازم نیست به هیچ وجه تحرک زیادی داشته باشند. جانسون ضمن بیان این نکته افزود: این روند به نوعی مانند گهواره نیوتن — اسباب بازی کودک با یک خط از توپ های فولادی، که هر یک توسط یک رشته معلف شده اند- است. اگر شما یک توپ را بردارید به طوری که به خط برخورد کند، تنها توپی که در انتهای خط است حرکت می کند و دیگر توپ ها گزندی نمی بینند.
اما تا همین اواخر، محققان با مشاهده این GIF  به همان یافته ها و اطلاعات بدیهی خود اشاره می کردند. اگر چه محققان ایده بسیار خوبی از این مکانیسم به طور سطحی در ذهن خود می پروراندند، اما جزئیات این که این رویداد دقیقا چگونه رخ می دهد، در هاله ای از ابهام قرار گرفته است.
از 200 سال گذشته تا به حال، محققان به دنبال یک روش تجربی به دنبال تغییرات ساختاری در مولکول های آب در حین تولید جریان الکتریسیته بوده اند که گویا با چالش های فراوانی دست و پنجه نرم کرده اند.
در سال های اخیر، محققان تلاش کرده اند تا این کار را با استفاده از اسکن مادون قرمز برای نظارت بر پیشرفت این روند انجام دهند، اما نتایج به دست آمده تفاوت زیادی با گذشته نداشت و عکس هایی تار با جزئیات غیر قابل تشخیص از آن ثبت شد.
در واقع، به نظر می رسد که این تاری تصاویر بیش از حد نمی تواند اجازه وجود یک اتصال و ارتباط قانع کننده بین رنگ ها و ساختار این پروسه وجود داشته باشد و جانسون ضمن بیان این نکته از سختی بسیار زیاد کار خبر داد.
جانسون و تیمش به منظور این که یک بار برای همیشه به چند و چون این فرایند به طرز قابل قبولی پی ببرند، یک راه برای انجماد سریع فرایند شیمیایی پیدا کردند، به طوری که لحظات عکس فوری در پروسه را بتوان جدا کرد و دقت و نگاه دقیق تری به وقایع رخ داده شده در تصاویر داشت. در واقع، آن ها با استفاده از پنج مولکول آب سنگین — آب ساخته شده از ایزوتوپ دوتریوم هایدروجن — مولکول ها را تا نزدیک به صفر مطلق (-273٫15 درجه سانتیگراد یا —459٫67 درجه فارنهایت) سرد کردند. هنگامی که آن ها این کار را انجام دادند سرعت به شدت کاهش یافت و به طور ناگهانی تصاویر پروتون های در حال در حرکت به طرز قابل قبولی واضح تر شد.
جانسون افرود: در اصل، ما یک نوع از سنگ روزتا را که نشان دهنده اطلاعات ساختاری کد گذاری شده در رنگ بود کشف کردیم. ما قادر به ارائه دنباله ای از تغییر شکل هماهنگ، مانند یک فریم از یک فلم بودیم.
این یافته جدید، بینش بسیار مهمی راجع به رسانایی آب به ما اعطا می کند؛ پدیده ای که ما را زنده نگاه می دارد و در واقع برای بسیاری از واکنش های شیمیایی بر روی زمین نقشی اساسی و حیاتی ایفا می کند. شایان ذکر است که این مزیت آن نیست و این موضوع می تواند به کشف جواب اسرار دیگری در جهان، مانند بحث درازمدت بر سر این که آیا سطح آب از بقیه حجم آن اسیدی تر است یا خیر، کمک کند. این تکنیک تصویربرداری جدید می تواند به این سوال بار یک بار و برای همیشه پاسخ دهد.
همچنین این دستاورد ممکن است محققان را در بررسی برخی دیگر از رفتارهای عجیب و غریب آب، مانند وجود فاز مایع دوم مرموز و توانایی های عجیب و غریب آن در منجمد ساختن جسم جامد در نقطه جوش و زمانی که به نانولوله های کاربنی محدود است، راهنمایی کند.
این تیم هم اکنون می خواهد به انجام دوباره آزمایش با مولکول های آب بیشتر و همچنین دیگر مولکول های کوچک بپردازد تا چگونگی تغییرات رسانایی را بررسی کند و زیر ذره بین قرار دهد.
ممکن است در نظر برخی افراد، انچام تحقیق و مطالعه راجع به موضوعاتی که از قبل وجود آن ها را می دانستیم، بی فایده و عجیب و غریب به نظر بیاید، اما این نوع از مطالعه و تحقیق اساسی و بنیادی می تواند کلید شناخت بیشتر و بهتر دنیای اطراف باشد.
در نهایت، تنها زمانی مطالعات و تحقیقات به ثمر خواهند نشست که رفتار ماده را در کوچک ترین سطح بررسی کنیم. آب، با وجود فراگیر بودن، یکی از عجیب ترین مولکول های دنیای اطراف ما است. هر چه بیشتر از آن بدانید، چالش های بیشتری سر راه شما قرار می گیرند.