המצב הרביעי של המים

The Fourth Phase of Water

המצב הרביעי של המים – ספר חדש מאת ד"ר ג'רלד פולק, אונ' וושינגטון, ארה"ב

האם יתכן כי מים פשוטים קולטים אנרגיה מהסביבה, וכי עד עתה לא נמצא אף אחד שיראה לנו זאת, וילמד כיצד לנצל אנרגיה זו? ובכלל - האם יש עוד מה לגלות בעולם המדעי של היום?

המחקר של פולק התחיל מתופעה פשוטה לכאורה אותה גילה מדען יפני בשם טושיהירו היררי (Hirari), בניסויים בצינוריות ג'ל דמויות עורקיקים עם כדוריות זעירות המדמות תאי דם. היררי וצוותו ראו כי הכדוריות ממאנות להישאר בדפנות הצינור, ומתרכזות במרכזו. הג'ל גרם איכשהו להרחקה של הכדוריות המרחפות במים בתוכו. התופעה סיקרנה את פולק מאד, ומאחר והיפנים לא רצו להמשיך ולחקור או אפילו לפרסם את ממצאיהם בנושא, המשיך פולק, ביחד עם אחד העוזרים של היררי (Zheng) שעבר לסיאטל, לחקור את התופעה: היווצרות של אזורים של מים נקיים לגמרי מחלקיקים בצמוד למשטח הידרופילי. זיק של הבנה שניצת הביא למחשבה שהג'ל גורם אולי להתארגנות של מולקולות המים הצמודות אליו, אשר דוחפות החוצה את הכדוריות בדיוק באותה צורה שבה קרח מתגבש דוחה החוצה פסולת מרחפת.

הספר החדש של ג'רלד פולק בהחלט מראה כי יש עוד מה לגלות, ובאמצעים פשוטים יחסית, אבל קודם לכל יש להיפתר מקונספציות שמוטבעות בנו ולהשתחרר מדברים שנראים לנו מובנים מאליהם. כבר בהקדמה מראה פולק את הקשיים העצומים שיש לאלה המאתגרים את החשיבה המדעית ומערערים את יציבותן של דוגמות ונוסחאות קיימות. הראשון שעשה זאת עבורו היה Tatsuo Iwazumi שהגיע למעבדתו וטען כי התיאוריה של האקסלי, שזכה בפרס נובל על כך, על פעולת השרירים אינה הגיונית. אחר כך היה זה Gilbert Ling שהבין כי המים המצויים בתוך תאים חיים מסודרים אחרת מאשר בכוס מים רגילים. שניהם גרמו לו לראות כמה אנשי מדע הם שמרנים ולעתים אפילו דתיים קיצוניים, בשמירתם על התאוריה אותה הם מאששים (וגם בשמירה על מקום עבודתם).

פולק אומר: "התוצאות צפויות מראש: המדע שומר על הסטטוס-קוו. הרבה לא ממש קורה שם. לסרטן אין עדיין תרופה. מגדלי המדע ממשיכים לגדול על יסודות רעועים, לעתים אפילו ממוטטים, המובילים למודלים מסורבלים ולספרי לימוד משמינים והולכים, מלאים בפרטים אינספור, שלעתים לא מתואמים ביניהם. תחומים מסוימים גדלו להיות כה מורכבים עד כי הם לא ניתנים להבנה. בדרך כלל אנחנו כלל לא מסוגלים להתייחס אליהם. מדענים רבים טוענים כי כך בדיוק המדע צריך להיות: מסובך, מרוחק ונפרד מהחוויה האנושית. עבורם, פשטות של סיבה ותוצאה היא תופעה משונה השייכת לעבר, אשר נדחקה לשוליים לטובת קורלציות סטטיסטיות מורכבות של העידן המודרני".

המים במיוחד הם נושא עתיר תופעות לא-נורמליות שהסעירו את העולם המדעי כבר מקדמת דנא, ועדיין גורמים לתהפוכות בתהליכי החשיבה המדעית שלנו. פולאק מראה היסטורית שהמים הם נושא פוליטי עדין ומסוכן, ולכן הוא מצהיר כבר בתחילה כי הוא הולך לבנות מסד אמפירי יציב עליו נוכל לבסס הבנה חדשה של המים.

רעיונות בדבר סידורים שונים של מולקולות מים תמיד היו בנמצא, אולם הדבר המדהים בתצפיות של היררי היה סדר הגודל: האזור החופשי מכדוריות נמתח לרוחב של חצי מילימטר מהג'ל, מרחק המצביע על שכבות של מאות אלפי מולקולות מים, המסודרות כתוצאה מקרבתן למשטח הג'ל ההידרופילי (אוהב מים). בניסויים ראשוניים נראית היווצרות של אזור הרחקה שכזה (Exclusion Zone  או בקיצור EZ) בצמוד למשטח הידרופילי בעובי של מאה אלף מולקולות מים. תופעה נצפית זו שברה לגמרי את החזוי של התיאוריה המקובלת, על פיה, אם המשטח מכיל מטענים שליליים למשל, ייצמדו אליו מטענים חיוביים בשכבה בלתי נראית של פרודות בודדות בלבד. מאחר וניסויים ראשוניים אלה היו מפתיעים כל כך, חזרו עליהם פולק וז'נג במשך שנה שלמה, כשהם מוחקים כל אפשרות רגילה להסבר קונבנציונלי, כמו הבדלי טמפרטורות, דחייה חשמלית ארוכת טווח של המשטח, או התמוססות של הג'ל. כמו כן, בניסוי פשוט של הקרנה נמצא כי אזור ההרחקה (EZ) קולט אורכי גל של 270 ננומטר, שהם הגלים המאפיינים אינפרה-אדום (IR), וניתן היה לראות אותו היטב בתמונות MRI  ובצילומי אינפרה-אדום.

במהלך המחקר וחיפוש תופעה דומה בספרות, הסתבר כי חוקרים קודמים, כמו מגלה ויטמיןC   Szent-Gyorgyi ו-Gilbert Ling כבר גילו את התופעה, אך לא המשיכו לחקור אותה ואת היישומים שלה. יותר מכך: בשנות ה-60, בשיא המלחמה הקרה בין ארה"ב לברה"מ, גילו מדענים סובייטים תופעה מיוחדת במים טהורים: המים מסוגלים ליצור מעין גביש נוזלי, שלא בקלות הופך לקרח או לאדים, מעין פולימר, ומכאן הכינוי שהודבק להם אז - Polywater. המחקר התרכז אז בידי הפיזיקאי הבכיר של ברה"מ בוריס דֵריאגין (Derjaguin), שהעמיד צוות רציני של מדענים לחקור את הנושא, גם כמובן עבור יישומים מיוחדים ואולי צבאיים (אי אפשר שלא להיזכר כמובן ב"קרח 9" מספרו הנהדר של קורט וונגוט "עריסת החתול"). האמריקאים והבריטים שמעו על הגילוי והחלו לחקור בנושא גם כן, עד אשר הופצה השמועה, אולי כחלק מהמלחמה הקרה, שכל העניין הוא עורבא פרח, כי המים הכילו עקבות של סיליקה מהזכוכית של הכלי, כך שנראה כי לא היו טהורים אחרי הכל, ואין סיבה להמשיך לחקור בכיוון. התיק נסגר די מהר, אך פולק טוען ששמע מאחד המקורבים לדריאגין שהוא האמין עד סוף חייו כי יש ממש בתופעה למרות ה"זיהום" שהתגלה וכי היה זה הפסד גדול למדע שלא המשיכו לחקור את הנושא. מי יודע מה עוד הפסדנו כתוצאה מהמשטר הטוטליטרי ברוסיה, ומהמלחמה ההיא הקרויה "קרה".

בכל מקרה, פולק ועמיתיו נכנסו עמוק לחקר התופעה של אזור ההרחקה, EZ, והבינו כי ההסברים של Ling  עד כה, כאילו מולקולות המים מסודרות כ"דיפולים" (גוף דו-קוטבי, כמו המולקולה של המים) בשכבות צמודות, לא היו משכנעים, ופנו להסבר המקובל לסידור מולקולות המים בגביש הקרח. כאן, ערוכות המולקולות בסריג של משושים במישורים (ראה תמונה) כשיוני מימן (+H שהם למעשה פרוטונים, כי לאטום המימן יש פרוטון אחד ואלקטרון אחד) מקשרים בין אטומי החמצן (השליליים יחסית) אשר בשכבות המישוריות. אבל מאחר והEZ  פועל כנוזל, מודל הסידור של הקרח לא מתאים לגמרי, ויתכן שקשרי המימן בין השכבות לא פועלים. האם יתכן כי המולקולות של המים באזור זה מפרישות יוני מימן, פרוטונים חופשיים חיוביים, בכדי להתארגן במרחב ה EZ?

כאן עלתה שאלת המטען החשמלי במלוא חריפותה, שהרי הקרח הוא ניטרלי במטענו: "הפרשה" של יוני מימן מאזור ההרחקה EZ  דורשת שהמטען הכללי של אזור זה יהיה שלילי יותר. האם זה יכול להיות? מיד בוצע ניסוי ישיר ופשוט, שבו הוחדרה אלקטרודה לאזור הרחקה EZ שכזה, והתברר מיד כי ה EZ אכן נושא מטען חשמלי שלילי, עד כדי mV500 בקרבת משטח של Nafion (סוג של ג'ל פשוט ששימש ברוב הניסויים ביצירת EZ). תוצאה זו הייתה בניגוד מוחלט לניטרליות לה ציפו החוקרים, והיא הביאה מיד לשורה של ניסויים לבדיקת תופעות הקשורות לכך. הדבר הראשון המתבקש הוא מציאות של מטען הפוך, חיובי, במים שמסביב לאזור ה-EZ השלילי, ואמנם, אלקטרודת pH שהוכנסה למים שהוכנס אליהם גוש ג'ל, הראתה מיד ירידה בערכי pH (עד לערכים נמוכים ביותר כמו 2=pH), אשר מראה על ריכוז גבוה ביותר של פרוטונים, נושאי מטען חיובי, שנראה כי השתחררו מאזור ההרחקה.

עצם היווצרות מטען חשמלי סתם ככה במים, רק בגלל שהם נמצאים ליד משטח כלשהו, הידרופילי ככל שיהיה, היא תופעה די מדהימה. יש כאן הפרדה של מטענים חשמליים ממולקולות האמורות להיות ניטרליות או לפחות מאוזנות בקשרים הכימיים שבתוכן. זה אומר שהמים כנראה קולטים אנרגיה כשלהי, ומנתבים אותה להפרדה בין שני מטענים נגדיים – אחד שלילי, קרוב למשטח הג'ל ואחד חיובי, רחוק מהמשטח. האם ניתן אולי להפיק את האנרגיה החשמלית הזו? כנראה שכן! פולק מראה שאם נכניס שני מוליכים, האחד באזור ה-EZ השלילי והשני באזור ריכוז הפרוטונים החיובי, נוכל לקבל מתח של בטרייה, סוללה שמייצרת חשמל, אמנם בכמות קטנה, אבל זוהי אנרגיה זמינה לכולנו שלא הייתה ידועה קודם. בנוסף, הפרדת המטענים יכולה לייצר עבודה של תנועה: כאשר הכניסו למים צינורית ג'ל קטנה והתבוננו אחרי כמה דקות במיקרוסקופ, נצפתה תנועה של נוזל בתוך הצינורית ומסביבה, תנועה שיכולה להימשך כל עוד הצינורית במים, במעין זרימה אינסופית של אנרגיה.

ההסבר להפרדת המטענים הוא די פשוט: סידור המולקולות של המים בצורת סריג משושה גורמת לפליטה של מימן אחד. המים באזור זה, ה-EZ, הם כבר לא H2O, אלא הם H3O2 – יחס המימן/חמצן בפרודות משתנה בגלל הדחיסה כביכול שעוברות המולקולות, הסידור הצפוף שהן נכנסות אליו, סידור שגורם לפליטה של יוני מימן, פרוטונים, אל המרחב של המים הניטרליים מסביב, ויונים אלה, בתורם, מתחברים למולקולות מים רגילות ויוצרים יוני הידרוניום H3O+. התגלית הגדולה היא שיש כאן תופעה של פירוק המים, פירוק של מולקולה מאד יציבה, של תרכובת שעד לפני מאתיים שנה נחשבה ליסוד בפני עצמו, פירוק הדורש לא מעט אנרגיה והמתרחש כאילו מעצמו.

לכן אחת השאלות הרציניות שניסו החוקרים לענות עליה היא מהו מקור האנרגיה הזו. התשובה הגיעה די במקרה: אחד החוקרים השאיר את מערכת הניסוי תחת המיקרוסקופ מאוחר בלילה, כיבה אורות ויצא, וכשחזר בבוקר למחרת והדליק את האור במיקרוסקופ ראה את אזור ההרחקה הולך ונבנה מול עיניו מחדש. המסקנה הייתה ברורה: אור השמש, או בכלל אור, מספק את האנרגיה להיווצרות הEZ  וליצירת מקור האנרגיה הבלתי נדלה הזה, שהמים מאפשרים לו להגיע אלינו. מחקירה נוספת התגלה כי דווקא אור באורכי גל של אינפרה-אדום, כ 3000 ננומטר, הוא זה הנקלט ביותר על ידי המים, וככל שעוצמתו ומשך ההארה שלו גדולים יותר, כך בניית הEZ  נרחבת יותר.

קרינת אינפרה-אדום (IR) היא למעשה קרינה של חום. זוהי אותה קרינה אלקטרומגנטית הנפלטת ממקורות חום שונים כמו בעלי חיים, גוף האדם ואפילו קירות הבית והרהיטים, אחרי שספגו את אור השמש המחמם. כמעט לא ניתן למצוא גופים שאינם פולטים חום, ועל בסיס עקרון זה נבנות מצלמות האינפרה-אדום הנמצאות היום בשימוש נרחב בכדי לגלות הבדלי טמפרטורה של גופים, כמו למשל צילומי לוויין IR של האוקיינוסים החושפים את זרמי הים השונים, כמו זרם הגולף. ההשערה היא כי מקור אנרגיה נפוץ זה, קרינת אינפרה אדום (וגם כנראה אנרגיה אקוסטית), גורם להפרדה מסוימת של המולקולות של המים, ובכך מאפשר להם התקשרות מחדש והסתדרות בצורה 'חברתית' אחרת, בסריג שיש לו מטען חשמלי שלילי בקרבת משטח הידרופילי בעל מטען כלשהו.

הוכחות החלו להצטבר התומכות בתגלית שמים צוברים אנרגיה, ומסוגלים להעביר ולתרגם אותה לצורות אחרות של אנרגיה. ניסוי שערך Voeikov במוסקבה כשערבב במים מעט סודה לשתיה, מי חמצן ומעט לומינול להגברת האור הנפלט, הראה כי מים רגילים פולטים אור בתא חשוך למשך זמן ארוך ביותר, עד כדי שנה. כמו כן, סידור מרחבי הדורש אנרגיה נצפה בתרחיפים של כדוריות זעירות, והן נצמדות לדפנות ומשאירות במרכז הכלי אזור נקי. על הפעילות החשמלית הנוצרת כתוצאה מהיווצרות אזורי הרחקה כבר סיפרנו וכך גם על תנועת הנוזל המתמשכת בצינוריות דקות – המים משמשים מדיום להעברת אנרגיה, בכך לא היה כל ספק ממחקריו של פולק.

אבל הדבר לא מפתיע כאשר מתבוננים במה שאור יכול לעשות: האפקט הפוטואלקטרי התגלה כבר בתחילת המאה ה-20 ופורסם ע"י איינשטיין: אור יכול לגרום לפליטה של אלקטרונים ולזרם חשמלי שלהם, כפי שקורה בתאים פוטו-וולטאים של סיליקון המייצרים חשמל מאור השמש. אור יכול לגרום לקרינה פלואורסצנטית בהמרה של אורך גל אחד למשנהו, ואור גם גורם לפוטוסינתיזה – תהליך יצור הפחמימות בצמח, המבוסס על שבירת מולקולות מים. גם כאן התגלה כי מים, המצויים בכל מקום, קולטים אנרגיה בזמן שהם מתארגנים ונצמדים למשטח מוצק כלשהו, וממירים אותה לאנרגיות אחרות, כשהבסיסית מתוכן היא זו של הפרדת המטענים החשמליים של מולקולות המים עצמן.

אולי נוכל אנחנו, שואל פולק, למצוא דרך בה נוכל להשתמש באנרגיה זמינה זו?

המשך יבוא...

האתר של מעבדת המים של ג'רלד פולק: http://faculty.washington.edu/ghp/

לאתר הספר, ולקריאת הפרקים הראשונים בספר:  http://www.ebnerandsons.com/products/the_fourth_phase_of_water

ג'רלד פולק ביוטיוב: http://www.youtube.com/watch?v=i-T7tCMUDXU