“น้ำมีกี่สถานะ?”
ใครที่เคยเรียนวิชาวิทยาศาสตร์มาตั้งแต่ชั้นประถมคงยกมือตอบได้อย่างมั่นใจว่า “3 สถานะ ประกอบไปด้วย ของแข็ง (น้ำแข็ง) ของเหลว (น้ำ) และแก๊ส (ไอน้ำ)”
แต่ทีมนักวิทยาศาสตร์จากสถาบันมักซ์ พลังก์, มหาวิทยาลัยเกียวโต, UC Davis รวมถึงบริษัท BASF ในเยอรมนี ได้ร่วมกันประมวลผลการทดลองจากหลายๆ ห้องแล็บและตีพิมพ์ลงในวารสาร PNAS ว่า พวกเขาพบหลักฐานที่ยืนยันได้ว่า บริเวณพื้นผิวของน้ำแข็งมีการจัดเรียงตัวของโมเลกุล H2O เป็นชั้นบางๆ ซึ่ง ‘จะแข็งก็ไม่แข็ง จะเหลวก็ไม่เหลว’
พวกเขาเรียกชั้นบางๆ ของน้ำแข็งนี้ว่า Quasi-Liquid Layer (QLL) ซึ่งพอจะถอดความเป็นภาษาไทยได้ว่า ชั้นบางที่มีลักษณะ ‘ประหนึ่งเป็นของเหลว’
นักวิทยาศาสตร์ในอดีตอย่าง ไมเคิล ฟาราเดย์ (Michael Faraday) ก็เคยพูดถึงพฤติกรรมประหลาดของน้ำแข็งมาตั้งแต่ 150 ปีก่อนแล้ว เขาเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า ‘premelting’ ซึ่งอธิบายว่า เหตุใดเมื่อนำน้ำแข็งสองก้อนมาวางชิดกัน น้ำแข็งทั้งสองก้อนจึงเชื่อมประสานกันเป็นก้อนเดียวได้ แต่ก็ไม่เคยมีใครพิสูจน์ได้เสียทีว่า premelting ที่ฟาราเดย์พูดถึงมันมีหน้าตาเป็นเช่นไร
จนกระทั่งทีมนักวิทยาศาสตร์ทีมนี้ได้ใช้เครื่องมือพิเศษที่ชื่อว่า Sum-Frequency Generation Spectroscopy (SFG) ซึ่งเป็นเทคนิคเกี่ยวกับการยิงแสงไปบนพื้นผิวของผลึกน้ำแข็งแล้วตรวจวัดการสั่นในระดับโมเลกุล ผลการทดลองที่ได้จากเทคนิคนี้ถูกนำมาประมวลผลคู่กับแบบจำลองที่สร้างขึ้นในคอมพิวเตอร์ จนทำให้ได้ข้อสรุปว่าบริเวณพื้นผิวของน้ำแข็งมีชั้นบางๆ ที่เรียกว่า QLL เคลือบอยู่
QLL นั้นไม่ได้เป็นทั้งของแข็งและของเหลว เพราะมันไม่ได้มีการจัดเรียงตัวของโมเลกุลอย่างเป็นระเบียบอย่างน้ำแข็ง แต่ในขณะเดียวกันก็ไม่ได้ไหลลื่นอย่างอิสระเหมือนน้ำในสถานะของเหลว แต่มันเกิดจากการเรียงตัวของโมเลกุล H2O ซ้อนกันสองแถว (bilayer)
ทีมวิจัยพบว่าที่อุณหภูมิต่ำกว่า -38 องศาเซลเซียส น้ำจะอยู่ในสถานะของแข็งเพียงอย่างเดียว แต่เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเรื่อยๆ จนถึง 0 องศา ชั้น QLL จะเริ่มเกิดขึ้นทีละชั้นเหมือนเป็นการเตรียมความพร้อมก่อนจะละลายเป็นของเหลว
พันธะไฮโดรเจนภายในชั้น QLL นั้นมีความแข็งแรงพอๆ กับพันธะไฮโดรเจนในผลึกน้ำแข็งเลยทีเดียว แต่มันพิเศษตรงที่ว่ามันยังปล่อยให้โมเลกุลของน้ำขยับได้อยู่
นี่จึงเป็นเหตุผลที่ทำให้ชั้น QLL นั้นไม่สามารถเรียกได้ว่าเป็นสถานะของแข็งหรือของเหลว
การค้นพบ QLL ในครั้งนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจกระบวนการทางเคมีที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของน้ำแข็งได้อย่างลึกซึ้ง หนึ่งในสมาชิกของทีมวิจัยได้นำเอาหลักการนี้ไปใช้งานในทันที และอธิบายปรากฏการณ์การเคลื่อนตัวธารน้ำแข็งได้อย่างเป็นรูปธรรม
ต่อไปนี้ ถ้าหากว่ามีคนถามว่าน้ำมีกี่สถานะ เราคงจะต้องอธิบายเพิ่มขึ้นอีกนิดแล้วว่ามันไม่ได้มีแค่ 3 สถานะแบบที่เราเคยเข้าใจกัน
ภาพประกอบ: Karin Foxx
อ้างอิง:
- http://www.pnas.org/content/114/2/227.abstract
- https://curiosity.com/topics/scientists-discovered-a-new-state-of-water-curiosity/?utm_source=facebookSCDP&utm_campaign=2017q1xxfbk03SCDPwaterstate&utm_medium=social
