Yeryüzünün yaklaşık yüzde 70'ini kaplayan ve vücut kütlemizin ortalama yüzde 60'ını oluşturan su, bilimsel açıdan hala gizemini koruyor. Sıvı halinden katı hale geçerken genellikle bilinen buz formunu alan su, düşük sıcaklıklarda aynı zamanda 'camımsı su' adı verilen amorf ve düzensiz moleküler yapıya da bürünebiliyor.
Bu ilginç su formu, kutuplardaki stratosfer bulutlarında bulunuyor ve soğuk seven (psikrofil) organizmaların kemik dondurucu soğuklarda buz kristallerinin neden olduğu hücresel hasarı önlemelerine yardımcı oluyor.
Ancak suyun sıvıdan cama dönüşüm süreci, gözlemsel teknikler için büyük ölçüde gizemini koruyordu. Su donduğunda genellikle düzenli bir kristal yapı oluşturan buz kristalleri meydana gelir. Bu durum, yaklaşık -45 santigrat derece gibi sıcaklıklarda gerçekleşir. Bilim insanlarının 'insansız kara' olarak adlandırdığı bu alan, büyük ölçüde anlaşılamayan bir termal boşluktur.
Sıvı haldeki suyun camlaşma geçişinin yaklaşık -135 santigrat derecede gerçekleştiği düşünülüyordu, ancak kristal buz oluşumu araştırmacıların bu camlaşma noktasına ulaşmasını engelliyordu.
Yeni bir çalışmada, bilim insanları doğadan ilham alarak suyu bir matris içine hapsettiler ve aslında camlaşma sürecini, kristalleşme bulanıklığı içinde gözden kaçırdıklarını fark ettiler.
Nature Communications'da yayımlanan araştırmaya göre, fizikçiler iki lipit tabakası arasına, özel bir 'saydam' fitantriol türü kullanarak çok az miktarda su hapsettiler. Fitantriol, soğuk termal rejimler boyunca yapısal olarak stabil ve akışkan kalan bir yağ alkolü molekülüdür. Bu şekilde hapsedilen suyun, sıcaklık düştüğünde kristalleşmesi engellendi. Bu sayede araştırmacılar, suyun sıvıdan cama geçişini etkileyici bir detayla izleyebildiler.
Şaşırtıcı bir şekilde, bu camlaşma dönüşümünün daha önce düşünüldüğünden çok daha geniş ve daha yüksek bir sıcaklık aralığında gerçekleştiği ortaya çıktı.
Zürih'teki ETH'den Raffaele Mezzenga liderliğindeki bir fizikçi ekibi, Avustralya Nükleer Bilim ve Teknoloji Organizasyonu'ndan (ANSTO) bilim insanlarıyla işbirliği yaparak, suyun nanometre altı ölçekteki davranışını takip etmek için hesaplama modellerini gelişmiş atomik inceleme teknikleriyle birleştirdi. ANSTO'nun Küçük ve Geniş Açılı X-Işını Saçılımı (SAXS/WAXS) hattı kullanılarak, farklı sıcaklıklarda lipit matris içinde hapsedilmiş suyun yapısı, bir parçacık hızlandırıcıdan elde edilen yoğun X-ışınları aracılığıyla haritalandırıldı. Ayrıca, Avustralya Nötron Saçılımı Merkezi'ndeki Emu ve Pelican adlı iki spektrometre, moleküler titreşimleri algılamak ve numunedeki hidrojen atomlarının hareketini ortaya çıkarmak için kullanıldı.
Emu spektrometresi için ANSTO cihaz bilim insanı Alice Klapproth, "Cihazımız tarafından algılanan nötron sinyali, sudaki hidrojen atomlarının hareketlerinden büyük ölçüde etkileniyor. Bu, suyun karmaşık bir yumuşak matris içinde hapsedilmiş olsa bile dinamiklerini seçici olarak ölçmemizi sağlıyor." açıklamasını yaptı.
Araştırmacılar, hapsedilen suyun dinamiklerindeki yavaşlamayı -63 ila -20 Santigrat derece arasında şaşırtıcı derecede geniş bir aralıkta tespit ettiler. Bu değişim, mikrosaniyeden trilyonda bir saniyeye kadar altı zaman ölçeğinde incelendi. Özellikle, moleküler dinamiklerde -35 ila -21 Santigrat derece civarında dramatik bir değişiklik gözlemlendi; bu, su moleküllerinin kinetik aktivitesinin yavaşladığı zamandır. Statik cam yapısal geçişi ise -74 ila -64 Santigrat derece arasında gerçekleşti; bu noktada su, düzensiz camsı, katı bir hale kilitlendi.
Bu araştırmanın, sadece günlük ama hala gizemli bir maddenin dinamiklerini aydınlatmakla kalmayıp, aynı zamanda pratik uygulamalara da yol açabileceği belirtiliyor. Araştırmacılar, bulgularının biyolojik materyallerin kriyo-korunması ve gıdaların derin dondurulması gibi kriyojenik nano-hapsetme suyu içeren tüm fiziksel fenomenler için acil ve daha geniş bir alaka taşıdığı sonucuna vardılar.
Bu bulguların, korunmuş dokuların yeniden canlandırılmasında veya devrim niteliğinde pürüzsüz bir dondurma türü geliştirilmesinde iyileştirmelere yol açıp açmayacağı ise henüz belirsizliğini koruyor.
