آب در مقیاس نانو به شکل شگفت‌انگیزی منظم است.

پژوهشی جدید نشان می‌دهد که سطح قطرات کوچک آب، با اندازه‌ی ۱۰۰ نانومتر، به شکل شگفت‌انگیزی با نظم و ترتیب چیده شده است. در دمای اتاق، مولکول‌های آب سطحی این قطرات بر هم کنش‌های بسیار قوی‌تری از یک سطح آب معمولی دارند. تفاوت ساختاری با یک تفاوت در دمای منفی۵۰ درجه‌ی سانتی‌گراد مطابقت دارد که ممکن است نوری بر تنوعی از فرآیندهای جوی، زیست‌شناسی و حتی زمین شناختی بتاباند.

قطرات آب در اندازه‌ی نانو همه جا یافت می‌شوند، در هوا به شکل قطرات یا افشانه‌ها، در بدن‌مان به شکل دارو و در زمین، درون سنگ‌ها و میدان‌های نفتی. برای درک رفتار این قطرات، لازم است تا بدانیم که چگونه آن‌ها بر محیط هیدروفوبیک یا همان آب گریزشان تاثیر متقابل می‌گذراند. این اثر متقابل، در سطح مشترک قطرات منحنی اتفاق می‌افتد، منطقه‌ی نانومتری که این نقطه‌ی کوچک از آب را احاطه می‌کند.

پژوهشگران موسسه‌ی پلی‌تکنیک فدرال لوزان «EPFL»، در همکاری با مرکز AMOLF در هلند توانستند که مشاهده کنند در این منطقه‌ی خاص چه اتفاقی می‌افتد. آن‌ها کشف کردند که مولکول‌های روی سطح این قطرات بسیار منظم‌تر از آنچه که انتظار می‌رفت، بودند. نتایج شگفت‌انگیز آن‌ها در مجله‌ی Nature Communications  منتشر شده است. آن‌ها زمینه را برای درک بهتر فرآیندهای زمین‌شناختی، زیست‌شناسی و جوی آماده می‌کنند.

در EPFL، «سیلوی روک»، سرپرست آزمایشگاه کاربرد نور در پزشکی برای بیوفوتونیک بنیادی، روشی بی‌نظیر برای بررسی کردن سطح این قطراتی توسعه داده است که به ضخامت یک هزارم تار مو هستند. روک توضیح می‌دهد: «این روش، همپوشانی پالس‌های لیزر بسیار کوتاه در مخلوطی از قطرات آب در روغن مایع و شناسایی فوتون‌هایی را شامل می‌شود که تنها از این سطح مشترک پخش می‌شوند. این فوتون‌ها فراوانی مجموع فوتون‌های ورودی را دارند و بنابراین به رنگ‌های مختلف هستند. با این رنگ که تازگی به‌وجود آمده ما می‌توانیم ساختار این سطح را بفهمیم.»

سطح این قطرات آب، بسیار منظم‌تر از سطح آب معمولی و قابل مقایسه با آب به‌شدت سرد‌شده، است که در آن این مولکول‌های آب پیوندهای هیدروژنی بسیار قوی دارند. در یخ، این تعاملات منجر به یک چهاروجهی پایدار می‌شود که هر یک از مولکول‌های آب را احاطه می‌کند. به‌طور شگفت‌انگیزی، این نوع ساختار در سطح این قطرات حتی در دمای اتاق یافت می‌شود، در دمای بالاتر از ۵۰ درجه‌ی سانتیگراد زیر صفر، این ساختارها به شکل معمولی به نظر خواهد رسید.

این پژوهش، درکی ارزشمند از ویژگی‌های قطرات آب نانومتریک فراهم می‌کند. روک توضیح می‌دهد: « ویژگی‌های شیمیایی این قطرات بستگی دارند به اینکه چگونه مولکول‌های آب در سطح چیده می‌شوند، بنابراین واقعاً مهم است تا بفهمیم آن‌جا چه اتفاقی می‌افتد.» تحقیقات بیشتر می‌تواند ویژگی‌های سطحی قطرات آب را با اضافه کردن نمک هدف قرار دهد، نمونه‌ی واقعی‌تر، افشانه‌های دریایی که شامل آب نمکی احاطه شده با یک محیط هیدروفوبیک هستند. نمک ممکن است شبکه‌ی آب را افزایش یا قدرت آن‌را کاهش دهد.