مسیرهای رنگی: نقاشی طبیعت با حرکت بارهای الکتریکی
بارهای کوچک، نقاشان بزرگ: یون و میدان الکتریکی چیست؟
برای درک مسیرهای رنگی، اول باید با بازیگران اصلی این نمایش آشنا شویم: یونها و میدان الکتریکی.
یون اتم یا مولکولی است که بار الکتریکی دارد. این بار میتواند مثبت باشد (اگر الکترون از دست داده باشد) یا منفی باشد (اگر الکترون گرفته باشد). بسیاری از رنگهای طبیعی و شیمیایی، مانند رنگهای موجود در آب مرکبات یا خودکارهای رنگی، از مولکولهای یونی ساخته شدهاند.
میدان الکتریکی ناحیهای است که در آن نیروی الکتریکی احساس میشود. ما میتوانیم یک میدان الکتریکی ساده بین دو سر یک باتری ایجاد کنیم: قطب مثبت (+) و قطب منفی (–). قاعدهٔ کلی این است: «بارهای همنام همدیگر را دفع و بارهای ناهمنام همدیگر را جذب میکنند.»
حالا تصور کنید چند قطره از یک رنگدانهٔ یونی را روی یک نوار کاغذ مرطوب که دو سر آن به باتری متصل است، قرار دهیم. یونهای رنگی تحت تأثیر میدان الکتریکی شروع به حرکت میکنند. از آنجایی که یونهای با بارهای مختلف با سرعتهای متفاوت حرکت میکنند، از هم جدا میشوند و نوارها یا مسیرهای رنگی مجزایی را روی کاغذ تشکیل میدهند. به این فرآیند کلی جداسازی ذرات باردار در میدان الکتریکی، الکتروفورز میگویند.
از نظریه تا عمل: چگونه یک آزمایش مسیر رنگی انجام دهیم؟
ایجاد مسیرهای رنگی یک آزمایش علمی ایدهآل برای کلاس درس یا خانه است. در زیر مواد لازم و مراحل کار به صورت گامبهگام و در یک جدول ارائه شده است:
| مرحله | توضیح | نکتهٔ علمی |
|---|---|---|
| ۱. آمادهسازی | یک نوار بلند از کاغذ صافی یا کاغذ حولهای بردارید. یک ظرف پهن را با محلول نمک طعام رقیق (0.5 تا 1 درصد) پر کنید. کاغذ را درون آن قرار دهید تا کاملاً خیس شود. | محلول نمک ($\ce{NaCl}$) رسانای جریان برق است و محیطی برای حرکت یونها فراهم میکند. |
| ۲. ایجاد میدان | دو سر کاغذ مرطوب را روی دو لبهٔ ظرف قرار دهید. دو سر آزاد کاغذ را با سیمسوسماری به قطبهای یک باتری 9V متصل کنید (مثلاً قرمز به + و سیاه به –). | باتری میدان الکتریکی یکنواختی در طول کاغذ مرطوب ایجاد میکند. شدت میدان با فرمول $E = V/d$ مرتبط است که $V$ ولتاژ و $d$ فاصله بین قطبهاست. |
| ۳. افزودن رنگ | با یک قطرهچکان، یک قطره کوچک از رنگ غذایی یا جوهر خودکارهای رنگی متفاوت را در نقطهای نزدیک به وسط کاغذ بچکانید. | هر رنگدانه ترکیبی از مولکولهای یونی با بارها و جرمهای مختلف است. مثلاً رنگ غذایی قرمز ممکن است حاوی یونی با بار منفی باشد. |
| ۴. مشاهدهٔ نتیجه | بعد از چند دقیقه، خواهید دید که لکهٔ رنگی شروع به پخش شدن و کشیده شدن به سمت یکی از قطبها میکند. حتی ممکن است یک رنگ به چند نوار با تهرنگهای متفاوت تقسیم شود! | این جداسازی، اصل الکتروفورز را نشان میدهد. سرعت حرکت یون با رابطهای مانند $v = \mu E$ توصیف میشود که در آن $\mu$ «تحرک یونی»7 است و به بار و اندازهٔ یون بستگی دارد. |
مثال عینی: اگر از رنگ غذایی آبی و قرمز با هم استفاده کنید، ممکن است پس از چند دقیقه ببینید که رنگ آبی به سمت قطب مثبت و رنگ قرمز به سمت قطب منفی حرکت کردهاند. این نشان میدهد که یونهای رنگ آبی بار منفی و یونهای رنگ قرمز بار مثبت داشتهاند. به این ترتیب، شما نه تنها یک نقاشی زیبا، بلکه یک «گزارش کار علمی» از بار مواد مختلف دارید.
الکتروفورز در خدمت زندگی: از تشخیص بیماری تا تست مواد غذایی
شاید فکر کنید این پدیده فقط یک آزمایش زیبا و درسی است. اما اصل علمی پشت آن، یعنی الکتروفورز، یکی از ستونهای مهم در آزمایشگاههای پزشکی، جنایی و صنعتی امروز است. وقتی دانشمندان توانستند مولکولهای باردار را در یک میدان الکتریکی جدا کنند، دریچهای نو به دنیای علم گشوده شد.
یکی از مهمترین کاربردها، الکتروفورز پروتئینهای خون است. پزشکان نمونه خون فرد را میگیرند و پروتئینهای موجود در آن را که بار الکتریکی متفاوتی دارند، توسط دستگاههای پیشرفته الکتروفورز جدا میکنند. الگوی ایجادشده (مانند مسیرهای رنگی ما، اما نامرئی) با الگوی یک فرد سالم مقایسه میشود. تغییر در این الگو میتواند نشاندهنده بیماریهایی مانند مالتیپل میلوما8، مشکلات کلیوی یا التهاب باشد.
در تستهای غذایی نیز از این روش استفاده میشود. برای مثال، برای اطمینان از اینکه در یک محصول گوشتی از پروتئین سویا استفاده نشده است (مثلاً برای افراد حساس)، میتوان پروتئینهای موجود را با الکتروفورز جدا و تحلیل کرد. حتی در علم ژنتیک، روشی به نام الکتروفورز ژل9 برای جداسازی قطعات DNA10 بر اساس اندازهٔ آنها استفاده میشود که پایهای برای تستهای پیوند والدین یا شناسایی عوامل بیماریزا است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. تنها رنگهایی که از مولکولهای یونی (باردار) ساخته شدهاند، در میدان الکتریکی حرکت میکنند. بسیاری از رنگهای صنعتی یا پلاستیکی از مولکولهای خنثی تشکیل شدهاند. اگر رنگ حرکت نکرد، دلیلش میتواند عدم باردار بودن مولکولهای آن، ولتاژ بسیار پایین باتری، یا خشک بودن بیش از حد کاغذ باشد.
پاسخ:هرگز از برق شهری استفاده نکنید. این کار بسیار خطرناک و مرگبار است. برای این آزمایش فقط از منابع بیخطری مانند باتری کتابی 9V یا چند باتری قلمی (1.5V) که به صورت سری به هم وصل شدهاند، استفاده کنید. هدف، ایجاد یک میدان الکتریکی ضعیف و کنترلشده است، نه یک شوک قدرتمند.
پاسخ: چند دلیل دارد: 1) مقدار رنگ اضافه شده زیاد بوده است. 2) کاغذ بیش از حد خیس بوده و رنگ به جای حرکت کنترلشده، در آب پخش شده است (پدیدهٔ مویینگی). 3) یونهای رنگ با مواد موجود در کاغذ یا آب واکنش داده و بار خود را از دست دادهاند. برای نتیجه بهتر، از کمترین مقدار رنگ و کاغذی با رطوبت یکنواخت استفاده کنید.
پاورقی
1مسیرهای رنگی (Color Trails / Migration Bands)
2یون (Ion)
3میدان الکتریکی (Electric Field)
4الکتروفورز (Electrophoresis)
5کاتد (Cathode) - قطب منفی در یک سلول الکترولیتی.
6آند (Anode) - قطب مثبت در یک سلول الکترولیتی.
7تحرک یونی (Ionic Mobility) - $\mu$ در فرمول $v = \mu E$.
8مالتیپل میلوما (Multiple Myeloma) - نوعی سرطان سلولهای خونی.
9الکتروفورز ژل (Gel Electrophoresis)
10DNA (DeoxyriboNucleic Acid) - اسید دئوکسی ریبونوکلئیک، مولکول حامل اطلاعات ژنتیکی.
