آب سنگین چیست؟
آب سنگین به زبان ساده، آبی است که مولکول های هیدروژن های آن با اتم دوتریوم ( ایزوتوپ سنگین هیدروژن) تبادل شده است. همين جا به جايي باعث تغيير در خواص فيزيكي آب معمولی و آب سنگین مي شود. بنابراين آب سنگين درمقایسه با آب معمولی نقطه جوش و نقطه انجماد بالاتری دارد. هسته اتم هیدروژن دارای یک پروتون و هسته دوتريم دارای یک پروتون و یک نوترون است. این نوترون بيشتر، باعث افزایش جرم آن ميشود. يك مول آب معمولی 18گرم و آب سنگین 20گرم است. پس قطعا یک لیتر آب سنگین دارای جرمی بیشتر از یک لیتر آب سبک است به دلیل تفاوت مشخصات هسته ای دوتریوم با هیدروژن ازلحاظ «تکانه زاویه ای و گشتاور مغناطیسی نوترون»از آب سنگین و دوتریوم در زمینه های مختلف تحقیقاتی نیز استفاده می شود.
تاریخچه آب سنگین
براي اولين بار آقاي راسل با استفاده از جدول تناوبی مارپیچ وجود دوتریم را پیش‌بینی کرد. شش سال بعد، در سال ۱۹۳۱ هارولد یوری از دانشگاه کلمبیا آن را کشف کرد. گیلبرت نیوتن لوئیس در سال ۱۹۳۳ توانست نخستین نمونه از آب سنگین خالص را با روش الکترولیز تهیه کند. هوسی و هافر در سال ۱۹۳۴ از آب سنگین استفاده کردند و با انجام نخستین آزمون‌های ردیابی زیست‌شناختی به بررسی سرعت گردش آب در بدن انسان پرداختند.
آب سنگين چگونه توليد مي شود؟
در حقیقت آب سنگین در طبیعت وجود و نیازی به تولید آن نیست بلکه روش های مختلفی برای جداسازی آب سنگین که شامل تبادل شیمیایی(ایزوتوپی)،تقطیر ،الکترولیز،استفاده ار غشاء، نفوذ گرمایی،لیزر،فوتوشیمی و جذب سطحی وجود دارد که هر روش دارای مزایا و معایب مربوط به خود است و با توجه به ویژگی های روش مذکور تا کنون تنها سه روش اول در مقیاس صنعتی اجرا شده اند. برای اولین بار استفاده از روش الكتروليز (برقكافت)منجر به توليد آب سنگين شد. از آنجا كه نقطه جوش آب سنگین بالاتر از آب معمولی مي باشد، برای تولید آن، از روش تبخیر و تقطیر هم استفاده می كنند.تفاوت جرم آب سنگین و آب سبک قابل ملاحظه است و تفاوت در نقاط جوش آب معمولي و آب سنگين، امکان جداسازی آب سنگین و خالص سازی آن را تسهیل می کند. در حالت عادي در میان هر 6400 تا 7000 ملکول آب معمولی، یک ملکول آب سنگین وجود دارد که برای توليد آن از طريق فیزیکی و شیمیایی درجه خلوص آن را بالا می برند.
كاربرد های آب سنگين و دوتریوم
عمدتا کاربرد آب سنگین شامل دو بخش کاربرد هسته ای و کاربرد تحقیقاتی ( پژوهش‌های علمی در رشته‌های زمين شناسي، زیست‌شناسی، پزشکی، فیزیک ،شیمی و مهندسی) می شود که در ذیل به بررسی آن ها می پردازیم:
کاربرد های هسته ای
کند کننده نوترون: از آب سنگين در بعضي از راكتورهاي هسته اي به عنوان كند كننده نوترون استفاده ميكنند. از آب سبک هم می‌توان به عنوان کند کننده نوترون استفاده نمود، اما به دليل اينكه آب سبک نوترون‌های حرارتی را هم جذب می‌کند، بايد از اورانيوم غني شده به عنوان سوخت در اين راكتور ها استفاده كرد. اما رآکتور آب سنگین میتواند از اورانیوم طبيعي یا (غنی نشده ) به عنوان سوخت استفاده کند. بنابراین، تولید آب سنگین به بحث‌های مربوط به جلوگیری از گسترش سلاح‌های هسته‌ای مربوط می‌شود.به علاوه استفاده از گاز دوتریم و تریتیوم برای تولید انرژی در فرآیند همجوشی استفاده می شود در این واکنش ایزوتوپ دوتریم و تریتیوم به هم پیوسته و یک اتم سنگین تر به نام هلیم و مقدار بسیار زیادی انرژی تولید می شود.
کاربردهای غیر هسته ای آب سنگین و دوتریوم
1- طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته:
امروزه استفاده از تکنیک طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته(NMR) برای شناسایی و مطالعه ساختار ملکولی کاربرد گسترده ای پیدا کرده است. در این تکنیک چون سیگنال های اتم هیدروژن باعث پوشیده شدن کامل طیف NMRمی شوند از آب سنگین یا حلال های دوتره ( برای تولید این حلال ها نیز ار آب سنگین به عنوان منبع دوتریوم استفاده می شود.) برای مطالعه ساختار ملکول ها استفاده می شود.روزانه هزاران ترکیب جدید در دنیا سنتز می شود که اولین گام در شناسایی این ترکیبات استفاده گسترده از تکنیک NMR است.
2-داروسازی
در سال‌های اخیر ، برخی از شرکت‌های داروسازی شروع به تحقیق در مورد تاثیر ترکیبات نشان دار شده با دوتریوم کرده اند که ممکن است مزایایی نسبت به ترکیبات نشان دار نشده موجود خود داشته باشد. مزایای بالقوه داروهای دوتره شامل موارد زیر است:
1- بهبود مشخصات متابولیک.
بهبود مشخصات متابولیک به طور بالقوه می تواند عوارض جانبی ناخواسته یا اثرات متقابل نامطلوب دارو را کاهش یا از بین ببرد. بر اساس یافته های دانشمندان جایگزین کردن هیدروژن با دوتریم باعث بهبود خواص داروها و کاهش چشمگیر سمیت آن ها می شود.
2- کنترل رها سازی دارو و افزایش نیمه عمر
ترکیبات نشان دار شده می‌توانند اثر فاراماکوکینتیک کندتر داشته باشند و باعث افزایش جذب و توزیع در بدن می شوند. این ممکن است تعداد دوزهایی را که یک بیمار ممکن است در مدت زمانی معینی مصرف کند را کاهش دهد.
این مزایای بالقوه باعث شده است تحقیقات در این زمینه افزایش یافته و تولید ترکیبات حدواسط و معرف هایی که برای توسعه داروهای دوتره استفاده می شود افزایش یابد.
3-استفاده از آب سنگین در صنایع نفت و گاز:
امروزه آب سنگین جهت تعیین بهترین محل برای حفر چاه نفت و گاز و سیر شدگی این گونه مخازن استفاده گسترده ای پیدا کرده است به طوری که بر اساس اسناد منتشر شده، یکی از شرکت های نفتی فعال در کشور امارات در سال های گذشته برای انجام پروژه نفتی در این کشور بیش از 22 تن آب سنگین استفاده کرده است.
4-فیبر های نوری و نیمه هادی ها
یکی دیگر از کاربرد های بسیار مهم آب سنگین ،تولید فیبر های نوری و نیمه هادی های دوتره می باشد. جایگزین کردن ایزوتوپ دوتریم با اتم هیدروژن در این ترکیبات طول عمر آنها را تا 10 برابر افزایش داده و همچنین خواص الکتریکی آن ها را به مقدار بسیار زیادی بهبود می بخشد این تاثیرات به گونه ای بوده است که امروزه شرکت های پیشرو در علم الکترونیک اقدام به تولید این فناوری در سطح تجاری کرده اند.
5-صنایع تولید لامپ های دوتریومی
این لامپ ها استفاده گسترده ای در دستگاه های طیف سنجی دارند. در این دستگاه ها منبع تابش دوتریم بوده که منبعی پیوسته از تابش را فراهم می کند . این منبع تابش توسط منو کروماتور تفکیک می شود و پهنه باریکی از طول موج توسط ابزار های نوری به سل نمونه میرسد. میزان مصرف دوتریم برای تولید این لامپ ها بسیار ناچیز است اما قیمت این لامپ ها به دلیل تکنولوژی بالا زیاد است.
6-آشکار سازی نوترینو
آشکارساز نوترینو در اعماق زمین و در یک معدن قدیمی کار گذاشته شده تا پرتوهای کیهانی به آن نرسد. هدف اصلی این رصدخانه یافتن پاسخ این پرسش است که آیا نوترینوهای الکترون که از همجوشی در خورشید تولید می‌شوند، در مسیر رسیدن به زمین به دیگر انواع نوترینوها تبدیل می‌شوند یا خیر. وجود آب سنگین براي انجام این آزمایش‌ها بسيارضروری است، زیرا دوتریم مورد نیاز برای آشکارسازی انواع نوترینوها را فراهم می‌کند.
7-بررسی میزان مصرف انرژی بدن موجودات زنده.
از مخلوط آب سنگین با آب غنی شده با ایزوتوپ اکسیژن - 18، برای انجام آزمایش اندازه‌گیری سرعت سوخت و ساز بدن انسان و جانوران بهره می‌گیرند. این آزمون سوخت و ساز را اصطلاحا DLW" آزمون آب دوبار نشان‌دار"می‌گويند. در این روش شخص مورد مطالعه ابتدا مقداری آب نشان دار شده با دوتریم و اکسیژن 18 با غلظت ایزوتوپی مشخص می نوشد. سپس در دوره های زمانی مشخص، آنالیز ایزوتوپی D/H و o18/o16 در نمونه ادرار یا بزاق فرد انجام می گردد. اکسیژن18 در فرم آب و دی اکسید کربن از بدن دفع می شود و در مقابل دوتریم فقط به شکل آب دفع می شود. بنابراین تفاوت در مقادیر اکسیژن-18 در خلال یک دوره زمانی بازتابی از تولید دی اکسید کربن است. از طرفی تولید دی اکسید کربن نتیجه اکسیداسیون چربی کربو هیدرات و پروتئین می باشد. پس تفاوت مقادیر اکسیژن- 18 بیانگر سرعت متابولیسم بدن است.
8-کاربرد آب سنگین به عنوان ماده ردیاب در علم هیدرولوژی
با توجه به پایدار بودن ایزوتوپ دوتریوم و عاری بودن از هر نوع خطر زیست محیطی در تکنیک های نوین هیدرولوژی(آنالیز ایزوتوپی)، با تزریق آب سنگین به منابع آب زیر زمینی اطلاعات دقیقی در زمینه تعیین منشاء و مسیر جریانات سرعت و جهت در آبخوان ها دست می آید.در این روش در سفره های آب زیر زمینی برای تعیین مسیر حرکت آب در محیط های متخلخل، ارزیابی سرعت جریان آب زیر زمینی، تخمین ضریب نفوذ پذیری لایه های آبدار، منشاء و محل تغذیه آب های زیر زمینی، ارتباط لایه های آبدار با یکدیگر و مطالعه مواد آلوده کننده استفاده می شود.
9_کاربرد آب سنگین در پزشکی
به طور كلي اساس کار در دانش پزشکی هسته ای استفاده از رادیوایزوتوپ ها و رادیوداروها است و از آب سنگین می توان به عنوان تارگت نوترون برای تولید این مواد استفاده کرد. از راديوداروها برای تشخیص و درمان بیماری هایی مانند سرطان، تومورهای خوش خیم و بدخیم، نارسایی های قلبی و عروق كرونر قلب استفاده می شود. مثلا" در تكنيك پت اسكن، گلوکز نشان دار یا فلوئودین کاربرد بسیار زیادی دارد از آب سنگين برای نشان دار کردن گلوکز استفاده می شود .