فكر می كنید آب و نفت با هم مخلوط نمی شوند، بهتر است با كیت جانسون ملاقات كنید. كیت جانسون كه به عنوان پروفسور فیزیك مواد از دانشگاه MIT بازنشسته شده است، كاری كرده كه بسیاری در آن ناموفق بوده اند. این كار همانا مخلوط كردن گازوئیل با آب و تشكیل مخلوطی است كه احتراق آن آلودگی كمتری داشته و در عین حال بازدهی موتور را در همان میزان طراحی شده حفظ می كند. سوخت او اگرچه از لحاظ ساخت به سادگی تهیه یك فنجان نسكافه است ولی در عین حال سال ها نیز پایدار می ماند. اگر او بتواند این سوخت را به اندازه كافی ارزان تهیه كند، زندگی میلیون ها انسان را كه در شهرهای بزرگ پر شده از اتوبوس ها و سواری های دیزلی كهنه زندگی می كنند، بهبود خواهد بخشید.

در شهرها موتور خودروها دوده و اكسیدهای نیتروژن بیرون می دهند و این به معنی آلودگی هایی است كه محیط زیست را تخریب كرده و باعث بیماری های ریوی می شوند. تمیز كردن دود اگزوز خودروها منجر به تمیزتر و سالم تر شدن این شهرها برای زندگی می شود.

جانسون علت پایداری و «سبز» بودن سوخت خود را به این صورت بیان می كند كه او خانواده ای از مواد فعال سطحی شبیه دترجنت ها یافته است كه مولكول های آب را به طریق شیمیایی به مولكول های گازوئیل می چسباند به طوری كه شبیه به یك توپ شده و یك خوشه پایدار ۲۰ مولكولی را به دور خود جمع می كند. جانسون بررسی كرده كه این خوشه ها در اثر ارتعاش نوسان می كنند و این مشخصه ای است كه روی خواص شیمیایی این محلول تاثیر بسزایی می گذارد. او كشف خود را در شركت تكنولوژی های انرژی كوآنتوم QET در كمبریج ماساچوست ثبت كرده است. این شركت در نظر دارد بازار این گونه سوخت را در سطح جهان توسعه دهد.

كشف جانسون در واقع نتیجه نهایی تحقیقاتی بود كه اوایل این قرن انجام شد و طی آن رانندگان خودروهای دیزلی متوجه شدند كه افزودن مقداری آب به سوختشان غالبا توان موتور را افزایش می دهد. طی جنگ جهانی دوم محققین روی تصحیح عملكرد سوخت كار كردند كه موفقیتی در پی نداشت ولی منجر به افزودن آب به بنزین شد.

در سال ۱۹۹۴، فیزیكدان آمریكایی رادولف گانرمن Rudolph Gunnerman اعلام كرد كه سوخت شیری رنگ او كه مخلوطی از آب، نفت و بنزین است آلودگی را كاملا از بین می برد و در عین حال بازدهی سوخت را بیش از ۴۰ درصد افزایش می دهد. اما سوخت گانرمن هنوز به بازار نیامده است. این افتخار نصیب شركت نفت فرانسه الف اكی تن (Elf Aquitaine) شد كه با سوختی به نام آكوازول Aquazole كه مخلوطی شیری رنگ از گازوئیل، مواد فعال كننده سطحی و حدود ۱۳ درصد آب بود، وارد بازار شد. بعد از دو سال آزمایش این شركت ادعا كرد كه استفاده از آكوازول، ذرات معلق در دود اگزوز را به نصف و NOX را به اندازه حدود ۱۵ درصد كاهش می دهد.

قابل ذكر است كه سوخت گانرمن و نیز سوخت آكوازول، امولسیون هایی از قطرات ریز آب پراكنده در گازوئیل هستند. مولكول های آب قطبی هستند. یعنی دارای بار الكتریكی ضعیفی روی خود هستند و در نتیجه برای متصل شدن به دیگر مولكول های باردار آماده هستند ولی در عین حال علاقه ای به متصل شدن به مولكول های خنثی، مثل مولكول های موجود در بنزین و گازوئیل ندارند. برای غلبه بر این دافعه، شیمیست ها از «مواد فعال كننده سطحی» استفاده كردند، یعنی موادی كه مولكول های آنها از یك طرف دارای گروه های قطبی و در طرف دیگر گروه های غیرقطبی هستند. این مواد شبیه مولكول های «مصلح» عمل كرده و مخلوط را با حبس كردن آب در داخل كیسه های مولكول های فعال كننده سطحی كه مایسل نامیده می شوند، پایدار می كنند.

هر چند ابعاد مایسل ها در این سوخت در حد میكرون هستند اما با این وجود آنقدر بزرگ هستند كه نور را پراكنده ساخته و مخلوط را سفیدرنگ نشان دهند. همچنین اندازه بزرگ مایسل ها باعث ناپایداری آنها شده است. با گذشت زمان، اجزای قطبی و غیرقطبی جدا شده و به دو لایه مجزا تبدیل می شوند كه باعث بی مصرف شدن سوخت می شود. جانسون می گوید این بزرگترین مشكل بر سر راه هر كسی است كه بخواهد سوخت تمیز را با این روش بسازد، یعنی این واقعیت كه: «امولسیون آب و سوخت طی زمان جدا می شود.»

مطابق گفته فردریك بارناد Frederic Barnaud كه مسئول تیم پروژه آكوازول است، سوخت آنها برای حداقل سه ماه پایدار است، اما می بایست حداقل برای بیش از شش ماه پایدار باشد. در هر صورت، سوخت گازوئیل گاهی برای مدت های طولانی قبل از مصرف انبار می شود و این كوتاه بودن عمر نگاهداری مشكل بزرگی است.

هر چه سوخت پایدارتر باشد، احتمال موفقیت تجاری آن بیشتر است و این موضوعی است كه در آن سوخت جانسون امتیاز بیشتری می آورد. او موفق شد كه در واقع یك «میكروامولسیون» بسازد كه در آن آب به صورت قطراتی در حد نانومتر پراكنده شده اند. این قطرات آنقدر كوچك هستند كه نور را پراكنده نمی كنند و در نتیجه مخلوط شفاف می شود. برخلاف قطرات بزرگ موجود در سوخت آكوازول، كشش سطحی خوشه های كوچك مولكول های آب در سوخت جانسون، آنها را برای مدت طولانی پایدار می سازد.

فیلیپ شولتز Philip Schultz شیمیست عضو تیم آكوازول با این موضوع موافق است كه «یك میكروامولسیون از لحاظ ترمودینامیكی، سیستمی پایدارتر است.» همچنین مولكول های آب كه در خوشه های جانسون از طریق پیوندهای كووالانسی شكل گرفته، از طریق مواد فعال سطحی مستقیما به مولكول های گازوئیل متصل هستند. این پیوندها به میزان بیشتری مخلوط را پایدار می كنند. مطابق آنچه كه جانسون می گوید به نظر می آید آزمایشات وی این موضوع را تایید كند كه نمونه های سوخت او تا سه سال پایدار باقی می ماند.

تام كرنز Tom Kearns استاد تكنولوژی دیزل در كالج ماساسویت در ماساچوست ادعای جانسون را قبول دارد. كرنز انجام آزمایشات روی سوخت جانسون را بیشتر از یك سال پیش آغاز كرد. او می گوید: «وقتی برای اولین بار راجع به این سوخت شنیدم، به نظرم احمقانه آمد، اما ما مقداری سوخت جانسون را به مدت یك سال در قفسه گذاشتیم ولی دوفازی نشد.»
جانسون می گوید: «بهتر از همه اینكه تولید این میكروامولسیون هیچ گونه فرآیند پیچیده ای ندارد، تنها اجزا را روی هم بریزید و آنها را مخلوط كنید.» او از آشكار كردن اینكه دقیقا از چه ماده ای به عنوان فعال كننده سطحی استفاده كرده، خودداری كرد اما ادعا كرد قسمتی از راز ساختن قطرات نانومتری در این نهفته است كه مولكول های آب خود را آرایش می دهند.

 

خوشه های كوچك

محققینی چون ریچارد سی كالی (Richard Saykally) در دانشگاه كالیفرنیا در بركلی و دیوید كلاری David Clary در دانشگاه كالج لندن نشان داده اند كه مولكول های آب می توانند به اشكال مختلفی حول هم جمع شوند، از جمله حلقه پنج مولكولی كه توسط پیوند هیدروژنی به وجود می آید. این حلقه ها خود به اشكال مختلفی به هم می پیوندند و جانسون می گوید كه یكی از معروف ترین آنها ساختار ۱۲وجهی است كه در آن ۲۰ مولكول آن به صورت پنج وجهی ۲۰ آبه شركت دارند.

در طبیعت این خوشه ها فقط در كسری از ثانیه وجود دارند و پس از آن یا رشد كرده و بزرگ می شوند و یا توسط مولكول های برخوردكننده منهدم می شوند. اما جانسون خانواده ای از مواد فعال كننده سطحی را یافت كه حول خوشه های ۱۲وجهی گرد آمده و آنها را پایدار می كنند.

مطابق تخمین جانسون این خوشه های آب ۱۲وجهی خواص ویژه ای دارند. اول این كه الكترون های اتم اكسیژن هر مولكول آب روی الكترون های اكسیژن های مجاور تاثیر می گذارند كه باعث پدیده ای می شوند كه شیمیست ها به آن «اوربیتال های پای نماد عدد پی جابه جا شده» گویند و از سطح خوشه مانند موهای یك برس بیرون می زنند. از آنجا كه الكترون ها می توانند با مولكول های مجاور پیوند برقرار كنند، این حالت باعث افزایش فعالیت خوشه می شود. جانسون اینجا مجددا راز فعال كننده سطحی را فاش نمی كند. چیزی كه رل اصلی را بازی می كند. فعال كننده سطحی غنی از اكسیژن است بنابراین به خوشه آب الكترون می دهد و در نتیجه آنها را فعال تر می كند. كن جردن Ken Jordan شیمیست دانشگاه پترزبورگ می گوید: «الكترون با قوت به سیستم متصل نمی شود، پس سهل تر است كه آن را در شكل یك پیوند به اشتراك گذاریم.»

همچنین ساختار خوشه نشان می دهد كه اتم اكسیژن آنچنان به آن نزدیك است تنها ۷۲ آنگستروم فاصله دارد كه الكترون روی اكسیژن آن می تواند خود را به اتم مجاور متعلق بداند. گرچه بارهای همنام همدیگر را دفع می كنند، اما آنچنان اتم های اكسیژن با پیوندهای قوی نگاه داشته شده اند كه نمی توانند از هم فرار كنند. جانسون ادامه می دهد كه پیوندها به طور پیوسته تغییر شكل می دهند تا همواره میزان دفع را حداقل كنند. در واقع باز شدن و فشرده شدن برای حصول به پایداری خوشه است. به این اثر پدیده پویای جان تلر (Jahn - Teller effect) گویند. جانسون می گوید این ارتعاشات از طریق كاهش در انرژی برای واكنش شیمیایی، خوشه های آب را فعال تر می سازند.

جانسون استدلال می كند این قسمتی از علت تمیزی سوخت او است. او محاسبه كرده است كه الكترون های روی اتم های اكسیژن خوشه ها، با مولكول هایی مانند آنتراسین كه در گازوئیل وجود دارد كه معمولا حین سوختن به دوده تبدیل می شود، واكنش می دهد. نحوه عمل به این صورت است كه الكترون ها به وجودآورندگان این دوده ها را می شكنند و اجزای به وجود آمده به آب، منواكسیدكربن و دی اكسیدكربن تبدیل می شوند. به طور همزمان، وجود آب در سوخت، فرآیند احتراق را سرد كرده و تولید اكسیدهای نیتروژن را كاهش می دهد. نتیجه ای كه در تست های آزمایشگاهی توسط QET گرفته شده این است كه این سوخت ذرات دوده در دود حاصل از گازوئیل را بیشتر از ۸۰ درصد و اكسیدهای نیتروژن را بیشتر از ۳۰ درصد كاهش می دهد. جانسون می گوید همچنین افزایش كمی در توان موتور نیز حاصل می شود.

به رغم مدارك، تئوری های جانسون همه كس را متقاعد نمی كند. مثلا سی كالی كه یك پیشرو در زمینه خوشه های آب است، می گوید: «هیچ روشی وجود ندارد كه بتوان اثبات كرد در این سوخت خوشه های ۲۰مولكولی آب وجود دارد. مدل های شیمیایی ارائه شده به اندازه كافی قابل اعتماد نیستند كه بتوان این موضوع را ثابت كرد و محاسبات خواص خوشه هایی به كوچكی تنها ۲۰ مولكول از دانش كنونی ما در مورد شیمی كوآنتومی تجاوز می كند.» دادلی هرش باخ Dudley Herschbach شیمیست دانشگاه هاروارد با این موضوع موافق است و می گوید: «تئوری جانسون موجه اما نظری است.»

با این وجود جانسون در مورد ایده اش مطمئن است چون مدل های كامپیوتری ای كه از قبل بر اساس مطالعات پیشین خود در مورد خوشه های فلزی ابداع كرده آن را تایید می كنند. او رفتار الكتریكی انواع ابعاد و انواع شكل های خوشه های آبی را با جایگزین كردن ایزوتوپ های مختلف اكسیژن در داخل مدل ها و تهییج و تغییرات فركانس های ارتعاش پیوندهای خوشه ها ثبت كرده است. او اظهار می دارد: «تنها خوشه های حدود ۲۰مولكولی آب در اندازه ای هستند كه بتوانند ارتعاشی در حد آنچه كه ثبت شده برای فعال شدن پدیده جان تلر ایجاد كنند.»

 

مولكول های لرزان

جانسون همچنین متوجه تیمی در دانشگاه لیون شد كه از تكنیك های رامان برای اندازه گیری خواص ارتعاشی آب استفاده می كنند. او اظهار می دارد كه یافته های آنان با تئوری او سازگار است. او می گوید: «طبیعت آنچنان نیست كه فقط خوشه هایی با یك اندازه تشكیل دهد، اما در سوخت ما، آنچنان كه از شواهد برمی آید، عمدتا خوشه های ۲۰مولكولی وجود دارد.» آقای جفرسون تستر مدیر آزمایشگاه انرژی MIT در بعضی موارد با جانسون موافق است. او می گوید: «ادعاهای جانسون منطقی است، ضمنا ایده های او با آنچه كه ما حین تست مخلوط آب و سوخت او در آزمایشگاه دیدیم سازگاری دارد و همچنین افزایش واكنش پذیری، معیاری از این است كه در اینجا پدیده جان تلر كار می كند.»

هر چند شاید جردن نیز در این مورد كاملا متقاعد نشده باشد ولی گویا دچار دودلی شده است چون گفته است كه «این موضوع كاملا غیرممكن به نظر نمی رسد چون ساختمان قفس وار مولكول ها در طبیعت نیز وجود دارد كه به آن هیدرات ها گویند ولی نمی توان شكل آنها را از قبل پیشگویی كرد.»

گذشته از این كه واقعیت چیست باید دید كارایی سوخت جانسون در خیابان چگونه است. در ژوئن سال ۱۹۹۸ یك تیم از دانشگاه وست ویرجینیا سوخت مزبور را در یك اتوبوس، تحت شرایط شبیه سازی شده خیابان های شهری آزمایش كردند. نتایج امیدواركننده بود. میزان كاهش آلودگی هوا نزدیك به چیزی بود كه در آزمایشگاه به دست آمده بود و «سوختاب» جانسون به شدت مورد توجه داگلاس ویتسون Douglas Wheatson مسئول بخش سوخت های جانشین در موسسه ماسپورت Massport قرار گرفت. با همكاری او به مدت یك سال خط اتوبوسرانی مسافرین فرودگاه شهر بوستون، متعلق به شركت ماسپورت از مخلوط دیزل شركت QET استفاده كرد. ویتسون می گوید: «ما فرودگاهی بزرگ هستیم كه در گوشه شرقی بوستون قرار داریم و استفاده از سوخت جانسون به منظور كاهش آلودگی هوا راهی برای كاهش اثرات زیست محیطی بر جامعه است.» گرچه موسسه ماسپورت میزان آلودگی تولیدشده توسط جانسون را اندازه گیری نكرده است ولی ویتسون می گوید: «این سوخت آشكارا دود اگزوز تمیزتری نسبت به سوخت گازوئیل معمولی تولید می كند.» در این مورد دیگران نیز علاقه مند شدند. هم اكنون سه شركت خصوصی اتوبوسرانی در كاستاریكا تست های بلندمدتی با سوختاب جانسون انجام می دهند و QET در حال مذاكره با چندین شركت در سطح جهانی است.

موسسه ماسپورت مشتری این سوخت خواهد بود، مادامی كه قیمت آن قابل رقابت با قیمت سوخت دیزل معمولی باشد، یعنی قیمت آن بیشتر از ۵ درصد قیمت گازوئیل نباشد. البته در حال حاضر جانسون نمی تواند به این مقصود برسد ولی QET انتظار دارد با افزایش تولید، قیمت آن كاهش یابد. كاهش هزینه سوخت در حالی كه عملكرد سوخت هنوز دوستدار محیط زیست باشد یك چالش است، چون گران ترین جزء این سوخت، ماده فعال سطحی است. جانسون می تواند با افزایش آب به مخلوط تا ۲۱ درصد، آلودگی را به میزان بیشتری كاهش دهد. اما برای افزودن آب بیشتر می بایست ماده فعال سطحی بیشتری به سوخت اضافه كرد تا سوخت پایدار بماند و این هزینه را بالا می برد. بنابراین او در جست وجوی راهی است كه ماده فعال سطحی را هم حذف كند.

یك راه حل، قرار دادن آب در معرض شرایط فوق بحرانی یعنی دمای ۳۷۴ درجه سانتیگراد و فشار ۲۲۰ اتمسفر است. در حالت فوق بحرانی آب در حالتی بین مایع و بخار قرار دارد و جانسون می گوید در این حالت مشكل اولیه آب، خوشه های ۲۰ مولكولی است. تحت این شرایط مولكول های گازوئیل با ۱۱ مولكول آب در خوشه مستقیما و بدون استفاده از ماده فعال سطحی متصل می شود. مطابق گفته جانسون در تست های آزمایشگاهی، سوخت فوق بحران آلودگی ها را به میزان موثرتری نسبت به مخلوط ماده فعال سطحی دار كاهش می دهد، یعنی حدود ۹۰ درصد ذرات معلق را كاهش داده و انتشار اكسیدهای نیتروژن را نصف می كند. در این حالت این سوخت حتی از گاز طبیعی پاك تر می شود.

همچنین شركت QET در حال مذاكره با اداره برق آمریكا است تا نظر آنان را برای استفاده از این سوخت در نیروگاه جلب كند. علاوه بر این، QET طرح هایی ارائه كرده است تا مالكین خودروها خود این مخلوط را بسازند و استفاده كنند. اما این مخلوط قابل احتراق، تنها در آغاز راه است.

جانسون در حال پیگیری دیگر خواص عجیب این خوشه ها ی آب است. البته از قبل بسیاری از كاربردهای دیگر این خوشه ها را بازیافته است اما اكنون در پی یافتن كاربردهای احتمالی آن در محصولات مهندسی پزشكی است. او مطلب بیشتری در این مورد نمی گوید و به هر حال پیشرفت این موضوع بستگی به علایق تجاری دارد، گرچه او به دنبال ایده های بزرگتری است. او توجه خود را به اطلاعات جمع آوری شده توسط ماهواره زیرمیلیمتری موج (Astronomy Satellite Submillimetre-Wave) ناسا معطوف داشته است كه می گوید ابرهای مواد منجمد در فضا همراه و مشابه ارتعاشات خوشه های ۲۰ مولكولی «می تپد». جانسون حدس می زند كه این خوشه ها فضای بین ستاره ها و كهكشان ها را پر كرده باشند، چون این خوشه ها در دماهای پایین و در خلٲ پایدار هستند. همچنین دفتر كوچك او پر از مقالاتی است كه احتمال می دهند ممكن است خوشه های آب حتی نقش مهمی در تعیین ساختارهای سلول های زنده ایفا كنند.

شاید این سوختاب تنها نوك یك كوه یخ باشد كه قسمت عمده آن زیر آب است او می گوید: ما می توانیم چیزهای بیشتری از رفتار مولكولی آب یاد بگیریم و در این صورت درباره حیات بیشتر خواهیم فهمید.

 

Newscientist, 13 Mar. 1999