يعد الماء من أكثر المواد الأساسية شيوعًا في عالم الإنسان.
نحن حرفيًا لا نستطيع العمل بدون خصائصه كـ مذيب شبه عالمي. يسقط من السماء. نستحم فيه ونشربه وننغمس فيه من أجل المتعة.
ولكن إذا تم اعتباره سائلاً فقط، فهو كذلك غريب للغايةتتصرف بطرق تتعارض تمامًا مع السوائل الأخرى. يصبح أقل كثافة عندما يتجمد. التوتر السطحي مرتفع بشكل غريب. وكذلك نقطة الغليان. وبناءً على وزنه الجزيئي، ينبغي أن يكون غازًا في درجة حرارة الغرفة.
وهذا كله في ظروف الأرض المحيطة العادية.
قم بتعديل الضغط ودرجة الحرارة بضع درجات، وسيصبح السلوك الغريب للمياه خارج نطاق السيطرة.
لقد أظهر العلماء الآن واحدًا من أغرب أشكال الجليد حتى الآن، تحت ضغط غير معقول يصل إلى 2.3 مليون ضغط جوي، ودرجات حرارة هائلة تصل إلى 2630 كلفن (2357 درجة مئوية، أو 4274 درجة فهرنهايت).
عند درجات الحرارة هذه، تتوقع عادةً أن يكون الماء غازًا بشكل مؤكد، حتى لو كان متفككًا جزئيًا إلى ذرات الأكسجين والهيدروجين المكونة له. لكن شيئًا مثيرًا للاهتمام يحدث عند الضغوط الفلكية الموجودة في أعماق الكواكب.
عندما يتحول الماء من سائل إلى غاز أو بخار، فإنه يتمدد. وفي ظل الضغوط الساحقة لملايين الغلاف الجوي، فإن هذا التوسع يتعرض للعرقلة. وبدلا من ذلك، يمكن أن يظل الماء كثيفا بشكل غير عادي، ويتخذ أشكالا غريبة على عكس أي جليد نواجهه على سطح الأرض.
واحد من هؤلاء هو الجليد الفائق – غريب للغاية حالة المادة هذا ليس صلبًا تمامًا ولا سائلًا تمامًا. تظل ذرات الأكسجين ثابتة في شبكة بلورية صلبة، كما هو الحال في المادة الصلبة. لكن نوى الهيدروجين متحركة، وتنتشر عبر تلك الشبكة مثل الجزيئات الموجودة في السائل.
في مجموعات مختلفة قليلاً من الظروف، يتغير ترتيب ذرات الأكسجين إلى تكوينات مختلفة تُعرف باسم المراحل. هناك نحو عشرين مرحلة معروفة من جليد الماء، والقليل منها يصبح فائق التأين في ظل الظروف القاسية. يبحث العلماء دائمًا عن المزيد.
وهي ليست مجرد غرابة من أجل الغرابة. ويعتقد أن الجليد الفائق موجود في أعماقه أورانوس ونبتون، حيث قد تلعب خصائصه غير العادية دورًا في توليد المجالات المغناطيسية غير المعتادة للكواكب.
في تجاربهم الجديدة، قام فريق بقيادة الفيزيائي ألكسيس فوريستير من هيئة الطاقة البديلة والطاقة الذرية الفرنسية بإخضاع عينات صغيرة من الماء لأنواع الظروف القاسية المتوقعة في المناطق الداخلية للكواكب الجليدية العملاقة.
وقاموا بضغط العينات بين أطراف الماس لضغوط تصل إلى 230 جيجاباسكال، بينما استخدموا الليزر لتسخينها إلى آلاف الدرجات. وهذا يعادل 2.3 مليون مرة الضغط الجوي للأرض عند مستوى سطح البحر – ويبلغ الضغط في مركز الأرض، على سبيل المثال، حوالي 360 جيجا باسكال.
وبعد ذلك، وباستخدام شعاع ضيق للغاية من الأشعة السينية السنكروترونية، بحثوا عن التغيرات في البنية البلورية للجليد.
ما ظهر كان تكوينًا تم التنبؤ به نظريًا ولكن لم يتم ملاحظته بشكل لا لبس فيه في التجارب: الجليد السداسي المكتظ، أو hcp. عندما تم تسخين بلورة hcp، أظهر تمددها أيضًا علامة على السلوك الفائق التأين، مما يشير إلى أنها دخلت الحالة الفائقة التأين عند حوالي 1700 كلفن.
يشير الاسم إلى ترتيب ذرات الأكسجين. تخيل أنك تقوم بتعبئة كرات متطابقة في طبقات؛ هناك عدد من الطرق المختلفة التي يمكن من خلالها تكديس هذه الطبقات أثناء تعبئة الكرات بإحكام قدر الإمكان.
أحد الأشكال التي تم تحديدها مسبقًا من الجليد الفائق التأين له بنية مكعبة مركزية الوجه، أو fcc. في الجليد hcp الذي تم تحديده حديثًا، يتم تكديس الطبقات بتسلسل مختلف. ووجد الباحثون دليلاً على أن أحدهما يمكن أن يتحول إلى الآخر مع تغير موضع الطبقات.
ويبدو أن هذا التحول يحدث مع تفاقم الظروف.
عند 155 جيجاباسكال و2000 كلفن، كانت الإشارة التي تم رصدها من مسبار الأشعة السينية عبارة عن مزيج من FCC وHCP.
من خلال الاتصال بما يصل إلى 197 غيغاباسكال و2250 كلفن، أصبح توقيع hcp أقوى مقارنةً بـ fcc.
وبموجب المجموعة النهائية من الشروط – 219 جيجاباسكال و2630 كلفن – كان توقيع لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) قد اختفى تقريبًا، وسيطر HCP بشكل واضح.
ومن المثير للاهتمام أن هذه ربما لم تكن المرة الأولى التي ينتج فيها الباحثون جليد hcp.
وبالنظر إلى البيانات من تجربة سابقة، أدركوا أن ذروة حيود الأشعة السينية التي لم يتم تحديدها سابقًا والتي تم رصدها فوق 130 جيجا باسكال كانت على الأرجح علامة على الجليد hcp، لكنهم لم يتعرفوا عليه في ذلك الوقت.
تشير نتائجهم إلى أنه عند ضغوط أعلى من حوالي 200 جيجاباسكال، قد يصبح hcp هو الترتيب الأكثر استقرارًا للجليد الفائق التأين.
يبدو الأمر وكأنه تغيير صغير نسبيًا – حرفيًا على المقياس الذري – ولكن الفرق قد يعني أشياء كبيرة للنظام الشمسي.
إذا كان الجليد hcp يوصل الكهرباء بشكل مختلف عن الجليد fcc، فإن وجوده في أعماق أورانوس ونبتون يمكن أن يغير نماذج لكيفية تحرك المواد والشحنات الكهربائية عبر الأجزاء الداخلية – وهي عمليات يُعتقد أنها تشارك في توليد الكواكب. مجالات مغناطيسية غريبة وفوضوية وغير متوازنة.
متعلق ب: لقد صنع العلماء للتو “جليدًا فائق السرعة” وهو صلب وسائل في نفس الوقت
ومع ذلك، فإننا لا نعرف فعليًا عن خصائص جليد hcp حتى الآن. لقد تم اكتشاف الأشياء للتو. ويدعو الباحثون إلى مزيد من العمل النظري لتفكيك تلك الخصائص، وخاصة اللدونة الميكانيكية والتوصيل الكهربائي.
ستكون هناك حاجة أيضًا إلى مزيد من التجارب لتحديد المكان الذي يكون فيه جليد hcp مستقرًا، عبر أقصى درجات الضغط ودرجة الحرارة، مقارنة بنظيره fcc.
الماء غريب حقًا، والجليد الفائق التأين أكثر غرابة. لقد خدش العلماء للتو سطح ما يمكن أن يفعله هذا الجزيء الغريب؛ بطريقة ما، يبدو من المناسب أننا بحاجة إلى الاعتماد عليه للبقاء على قيد الحياة.
ابق فاترة ، ماء. أو ساخن. أنت تفعل أنت.
وقد تم نشر النتائج في رسائل المراجعة البدنية.
تم التحقق من صحة هذه المقالة بواسطة راشيل غارنر وتم تحريره بواسطة ريبيكا داير. وبينما نفخر بعمليتنا، فإننا بشر فقط. إذا اكتشفت خطأً، يرجى اعلامنا.
