سطح مرموز آب: تصاویر لحظهای ایکسری جزئیات اتمها و مولکولهای فعال را نشان میدهند
نوشتهٔ گلنندا چوئی، آزمایشگاه ملی شتابدهنده SLAC
آب همواره اطراف ما حاضر است، اما لایهٔ سطحی آن—محل وقوع واکنشهای شیمیایی که شکلدهندهٔ حیات بر روی زمین هستند—بهطور شگفتآوری دشوار برای مطالعه است. آزمایشهای لیزر ایکسری در SLAC این موضوع را بهدقت بیشتری روشن میکنند.
دو‑سوم سطح زمین توسط آب پوشانده شده است؛ بیشتر آن در اقیانوسهای عمیق و گستردهای متمرکز است که تنها یکپنجم از حجم کل آنها کاوش شده است. بهطور خیرهکننده، دسترسپذیرترین بخش این قلمرو آبی—سطح آب که در بالای موجها، قطرات باران و برکههای پر از حشرههای سطحی ظاهر میشود—یکی از سختترین بخشها برای شناخت است.
سطح، که تنها چند لایهٔ اتمی است، نقش بینظیری در شیمیای که جهان ما را شکل میدهد ایفا میکند؛ از شکلگیری ابرها و بازیافت آب از طریق بارندگی گرفته تا جذب دیاکسید کربن توسط اقیانوسها از جو.
«مرز بین هوا و آب جایی است که تمام پدیدهها در آن رخ میدهند، اما بهصورت مشهور دشوار بهدست میآید»، گفت جیک کورالک، دانشمند ثابت در آزمایشگاه ملی شتابدهنده SLAC متعلق به وزارت انرژی. «زمانی که سعی میکنیم خواص آن را اندازهگیری کنیم، نتایج ما تحتتاثیر میلیاردها اتم که بخش عمدهٔ آب را تشکیل میدهند، قرار میگیرد. این امر حتی برای کوچکترین قطرههای آب نیز صادق است.»
اکنون، تیمی تحقیقاتی به رهبری دانشمندان SLAC روشی را برای غلبه بر این مانع توسعه داده است تا تنها از سطح، دادههای ایکسرای قوی و واضحی جمعآوری کنند؛ این کار با بهرهگیری از تکنیکهای پیشرفتهای که در منبع نور Linac Coherent Light Source (LCLS) موجود است، انجام میشود.
«ما توانستیم جزئیات کلیدی اینکه مولکولهای آب در سطح چگونه متفاوت از مولکولهای موجود در بقیهٔ آب تعامل میکنند را بهصورت مستقیم مشاهده کنیم و فرضیههای دیرینه را تأیید نماییم»، گفت کورالک که این پژوهش را همراه با دانشمند ابزار LCLS، دیوید جی. هوفمن، رهبری کرد. «این برای درک شیمی در سامانههای مبتنی بر آب، از جمله حیات بر روی زمین، اهمیت اساسی دارد.»
تیم پژوهشی، که شامل دانشمندانی از آزمایشگاه ملی لورنس برکلی وزارت انرژی (DOE)، دانشگاه کالیفرنیا در برکلی (Berkeley Lab)، دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو، و دانشگاه نوادا در لاس وگاس میشد، آخرین مقالهٔ این سلسله مطالعات را در نشریه Nature Communications منتشر کرد.
سطح خاص آب
آب در بسیاری از جنبهها نسبت به سایر مایعات منحصربهفرد است. کشش سطحی آن از قویترین کششهای سطحی میان مایعات شناختهشده است—بهطوری که برخی حشرات میتوانند بهصورت واقعی بر روی آب راه بروند و یک تیغ ریشتراشی که با دقت بر سطح قرار گیرد، بدون غوطهور شدن میتواند روی آن بماند.
بهطور کلی، کشش سطحی در مرزی که مایع با هوا تماس دارد شکل میگیرد. مولکولهای مایع یکدیگر را بیشتر از مولکولهای هوا جذب میکنند. این مولکولها بهیکدیگر کشیده میشوند و لایهٔ نازکی میسازند که مانند پوستی الاستیک عمل میکند و در برابر شکستن مقاومت مینماید.
با این حال، مولکولهای آب فقط بهدنبال جذب یکدیگر نیستند. هر مولکول چهار پیوند ضعیف و گذرا با همسایههای خود ایجاد میکند؛ اتمهای هیدروژن یک مولکول به اتمهای اکسیژن دیگر متصل میشوند. در حجم کلی آب، این پیوندها در همه جهتها گسترش مییابند و یک شبکهٔ نازک از مولکولها را تشکیل میدهند که بهطور مداوم میشکند و باز بههم میپیوندد.
در سطح دقیقاً، مولکولهای آب میتوانند فقط با همسایههای زیر خود پیوند بزنند و نه با هوا در بالایشان. بههمین دلیل برخی از اتمهای هیدروژنشان به سمت هوا بیرون میزنند. این موضوع توسط اندازهگیریهای پیشین تأیید شده بود.
اما آیا اتمهای اکسیژن که از پیوند محروم بودند نیز در سطح همین کار را میکردند؟ این مسأله منطقی بهنظر میرسید، اما تا کنون هیچکس آن را بهصورت مستقیم مشاهده نکرده بود.
«سطح آب با استفاده از طیف وسیعی از روشهای آزمایشی مورد بررسی قرار گرفته است»، گفت هوفمان. «اما همچنان سؤالات اساسی دربارهٔ ساختارهای الکترونی و مولکولی سطح و ارتباط آنها با پدیدههای ماکروسکوپی مهم، مانند چگونگی دوران اوزون در جو، انتقال بار در باتریها و مکانیک عملکرد صابونها، باقی است.»
ورقهای درخشان و تقویت توان
این آزمایشهای اخیر با ابزار chemRIXS LCLS انجام شد، که برای آزمایشهای پیشرفته در حوزه شیمی بهینهسازی شده است. سه پیشرفت اخیر کلیدی برای امکانپذیر شدن آنها بودند.
یکی از این پیشرفتها روشی است که در سال ۲۰۱۸ توسط کورالک و دانشمند LCLS، دنیل دیپونته، توسعه یافت؛ این روش نمونهها را بهجای جتهای استوانهای، در قالب ورقهای آزاد جریان آب به مسیر لیزر LCLS میبرد. این ورقها ضخامت کمتری از ۱ میکرومتر (حدود ۴۰ میکرواینچ) دارند، بهحدی که همانند حبابهای صابونی میدرخشند. این نازکی افراطی به پژوهشگران اجازه میدهد تا به بررسی پدیدههایی بپردازند که پیش از این هرگز قابل مشاهده نبودند. پژوهشگران پیشتر اعلام کرده بودند که میخواهند از این ورقهای نازک برای بررسی ذات خود آب استفاده کنند و این دقیقاً کاری است که در اینجا انجام دادهاند.
دوم، ارتقاءهای اخیر در LCLS به پژوهشگران این امکان را داد که ورقهای آب را با پرتو لیزر ایکسری برخورد دهند؛ این پرتو پالسهای فوقکوتاه (کمتر از یک فمتوثانیه) تولید میکرد، هر کدام با بیش از یک تراوات توان در نقطه اوج، با نرخ ۱۲۰ بار در ثانیه رسید.
فقط پرتو با شدت فوقالعادهای که در لیزر ایکسری مانند LCLS یافت میشود میتواند مولفهٔ سوم حیاتی آزمایش را فعال کند: فرآیند غیرخطی بهنام تولید دومین هارمونیک، که در آن دو فوتون نور ورودی ترکیب میشوند تا یک فوتون خروجی با انرژی دو برابر ایجاد شود. این پدیده فقط در لایهٔ سطحی آب رخ میدهد، بهطوری که میتوان تمایز واضحی بین رخدادهای سطحی و رخدادهای درون حجمی فراهم کرد.
بهعلاوه، پرتو لیزر به طولموجی در بخش نرم (انرژی کم) طیف رادیو‑اکسیک تنظیم شد که حساس به اکسیژن موجود در آب است. سپس این پرتو میتوانست نقش اکسیژن را در شبکهٔ پیوندهای هیدروژنی که آب را به مادهای منحصربهفرد تبدیل میکند، پیگیری کند. در این مطالعه، این روش تأیید کرد که اتمهای اکسیژن در سطح نیز به سمت هوا بیرون میآیند و قادر به جذب تعداد کافی پیوندهای هیدروژنی نیستند.
«این نتیجهٔ آزمایشی پیشگام، همراه با محاسبات نظری پیشرفته، بلافاصله بر درک ما از آب و مایعات بهطور کلی تأثیر خواهد گذاشت»، گفت کورالک. «این راه را برای مجموعهای گسترده از مطالعات بر سیستمهای آبی بحرانی هموار میکند که برای جامعه علمی بهطور وسیعی جذاب خواهد بود.»
تیم همچنین به بررسی رابطۀ آب با سایر مایعات پرداخته؛ تنظیم اولیه خود را طوری تغییر دادهاند تا لایههای فوقالعاده نازک و پشتهشدهای از ورقهای مایع ایجاد کنند که بهطور مستمر در مسیر پرتو لیزر رومیزی جریان داشته باشند. در سال ۲۰۲۲، آنها آزمایشهایی توصیف کردند که در آن جتهای ریز روغن و آب به یکدیگر برخورد کرده و ورقهای نازک تشکیل دادند که امکان مطالعهٔ تماس بین دو مایع را فراهم کرد.
در آخرین ماه آگوست، آنها مقالهای منتشر کردند که رفتار نمکها در مرزهای آب/هوا و آب/روغن را مقایسه میکرد، بر پایه آزمایشهای رهبریشده توسط شین دِولین، پژوهشگر پسادکترا در آزمایشگاه برکلی.
اطلاعات بیشتر: دیوید ج. هوفمان و همکاران، ساختار سطحی آب از طریق تولید دومین هارمونیک نرم ایکس‑ری، Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65514-4
اطلاعات نشریه: Nature Communications
ارائه شده توسط آزمایشگاه ملی شتابدهنده SLAC
ارجاع: سطح مرموز آب: تصاویر لحظهای ایکس‑ری جزئیات اتمها و مولکولها را در حال کار نشان میدهد (2025، دسامبر 12) بازیابی شده در ۲۵ دسامبر 2025 از https://phys.org/news/2025-12-enigmatic-surface-ray-snapshots-reveal.html
این سند تحت حفاظت حق تکثیر است. بهجز موارد استفاده منصفانه برای اهداف مطالعه یا پژوهش خصوصی، هیچ بخشی از آن بدون اجازه کتبی قابل بازتولید نیست. محتوا صرفاً برای مقاصد اطلاعاتی ارائه شده است.