الفيزياء

تم التقاط المياه فائقة التبريد وهي تتحول بين شكلين

تؤكد دراسة جديدة أن الماء فائق البرودة يأتي في نسختين: شكل عالي الكثافة (موضحة بجزيئات الماء المعبأة بشكل وثيق في النصف السفلي من الزجاج) والأخرى منخفضة الكثافة (أعلى).

 يمكن لهذه النتيجة ان تساعد في تفسير بعض الخصائص الغريبة للماء

أظهرت دراسة جديدة أن المياه فائقة البرودة هي نوعان من المياه.

لطالما اشتبه العلماء في أن الماء في درجات حرارة تحت التجمد يأتي في نوعين مختلفين: سائل عالي الكثافة يظهر عند ضغوط عالية للغاية ، وسائل منخفض الكثافة عند ضغوط منخفضة. الآن ، كشفت القياسات فائقة السرعة أن الماء يتحول من نوع سائل إلى آخر ، مما يؤكد هذا الحدس. يمكن أن يساعد هذا الاكتشاف ، الذي تم الإبلاغ عنه في 20 نوفمبر Science ، في تفسير بعض مراوغات المياه.

يقول الفيزيائي جريج كيميل من مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني في ريتشلاند بواشنطن ، إن التجربة "تضيف المزيد والمزيد من الأدلة إلى فكرة أن الماء مُكَوِّنَان حقًا ... وهذا هو السبب وراء كون الماء غريبًا للغاية".

عندما يكون الماء خاليًا من الشوائب ، يمكن أن يظل سائلاً تحت درجة التجمد النموذجية البالغة صفر درجة مئوية ، مكونًا ما يسمى بسائل فائق التبريد. ولكن كان من المتوقع أن تظهر الطبيعة المزدوجة للمياه فائقة البرودة في عالم درجة الحرارة الذي يصعب دراسته لدرجة أنه أطلق عليها اسم "الأرض المحرمة". تحت حوالي -40  درجة مئوية ، يبقى الماء سائلاً للحظات فقط قبل أن يتبلور إلى ثلج. مما يجعل المهمة أكثر صعوبة ، تظهر المرحلة عالية الكثافة فقط عند ضغوط عالية جدًا. ومع ذلك ، "ما زال الناس يحلمون بكيفية إجراء تجربة" ، كما يقول أندرس نيلسون من جامعة ستوكهولم.

بفضل المناورات التجريبية السريعة ، تسلل نيلسون وزملاؤه إلى تلك المنطقة الحرام من خلال مراقبة خصائص المياه على مقياس من النانو ثانية. يقول الكيميائي الحسابي جول زيرزي من جامعة برينستون: "هذا أحد الإنجازات الرئيسية لهذه الورقة". "أنا معجب بعملهم."

بدأ العلماء بإنشاء نوع من الجليد عالي الكثافة. ثم قامت نبضة من ليزر الأشعة تحت الحمراء بتسخين الجليد ، مكونة ماء سائل تحت ضغط مرتفع. ثم توسعت تلك المياه وانخفض الضغط بسرعة. في هذه الأثناء ، استخدم الباحثون ليزر الأشعة السينية للتحقيق في كيفية تغير بنية الماء ، بناءً على كيفية انتشار الأشعة السينية. مع انخفاض الضغط ، تحول الماء من سائل عالي الكثافة إلى سائل منخفض الكثافة قبل أن يتبلور إلى جليد.

استخدمت الدراسات السابقة تقنيات فائقة السرعة للعثور على تلميحات لسلوك الماء ذي الوجهين ، ولكن تم إجراؤها بشكل أساسي عند الضغط الجوي. في العمل الجديد ، تم مراقبة الماء عند حوالي 3000 مرة من الضغط الجوي و -68 درجة مئوية. "إنها المرة الأولى التي نمتلك فيها بيانات تجريبية حقيقية عند هذه الضغوط ودرجات الحرارة" ، كما يقول الفيزيائي لوني كرلينجل من مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني.

يمكن أن تشير النتيجة إلى أن الماء فائق البرودة له "نقطة حرجة" - ضغط ودرجة حرارة معينان يتم عندها دمج مرحلتين متميزتين في مرحلة واحدة. في المستقبل ، يأمل نيلسون في تحديد تلك البقعة.

يمكن لمثل هذه النقطة الحرجة أن تفسر سبب كون الماء سائلًا غريب الأطوار. بالنسبة لمعظم السوائل ، فإن التبريد يجعلها تصبح أكثر كثافة ويصعب ضغطها. تزداد كثافة الماء عند تبريده إلى 4 درجات مئوية ، ولكنه يصبح أقل كثافة مع زيادة تبريده. وبالمثل ، تزداد قابلية انضغاطه عندما يتم تبريده.

إذا كان الماء شديد البرودة يحتوي على نقطة حرجة ، فقد يشير ذلك إلى أن الماء الذي نشهده في الحياة اليومية غريب لأنه ، تحت الضغوط ودرجات الحرارة النموذجية ، يكون سائلًا فوق الحرج - حالة غريبة تحدث بعد نقطة حرجة. لن يكون مثل هذا السائل من النوع عالي الكثافة أو منخفض الكثافة ، ولكنه قد يتكون من بعض المناطق ذات الترتيب عالي الكثافة لجزيئات الماء والجيوب الأخرى منخفضة الكثافة. سوف تتغير الكميات النسبية لهذين الهيكلين ، والتي تنتج عن ترتيبات مختلفة للروابط الهيدروجينية بين الجزيئات ، مع تغير درجة الحرارة ، مما يفسر سبب تصرف الماء بشكل غريب أثناء تبريده.

لذا على الرغم من حقيقة أن التجربة تضمنت ضغوطًا ودرجات حرارة شديدة ، كما يقول نيلسون ، "فإنها تؤثر على الماء في حياتنا العادية".

المصدر

النشرة البريدية

الرجاء تعبئة التفاصيل ادناه لتلقي نشرتنا البريدية