تقدم القياسات الأولى على الإطلاق دليلًا على وجود الماء شديد البرودة للغاية في بنيتين متميزتين تتعايشان وتتفاوتان في النسبة اعتمادًا على درجة الحرارة.
الماء فائق البرودة هو حقًا سائلين في واحد. هذا هو الاستنتاج الذي توصل إليه فريق بحثي في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية بعد إجراء أول قياسات على الإطلاق للمياه السائلة عند درجات حرارة أبرد بكثير من نقطة التجمد النموذجية.
يوفر هذا الاكتشاف ، الذي نُشر اليوم في مجلة Science ، بيانات تجريبية طال انتظارها لشرح بعض سلوكيات المياه الغريبة في درجات حرارة شديدة البرودة الموجودة في الفضاء الخارجي وفي المناطق البعيدة من الغلاف الجوي للأرض. حتى الآن ، كان الماء السائل عند أعلى درجات حرارة ممكنة موضوعًا للنظريات والتخمينات المتنافسة. تساءل بعض العلماء عما إذا كان من الممكن حتى وجود الماء حقًا كسائل عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى -117.7 فهرنهايت (190 كلفن) أو ما إذا كان السلوك الغريب هو مجرد إعادة ترتيب المياه في مسارها الحتمي إلى مادة صلبة.
الجدل مهم لأن فهم الماء ، الذي يغطي 71 في المائة من سطح الأرض ، أمر بالغ الأهمية لفهم كيفية تنظيم بيئتنا وأجسادنا والحياة نفسها.
قال جريج كيميل ، الفيزيائي الكيميائي في مختبر PNNL : "لقد أظهرنا أن الماء السائل في درجات حرارة شديدة البرودة ليس مستقرًا نسبيًا فحسب ، بل يوجد في شكلين هيكليين". "تشرح النتائج الجدل طويل الأمد حول ما إذا كان الماء شديد البرودة يتبلور دائمًا قبل أن يتمكن من التوازن. الإجابة هي: لا".
المياه فائقة التبريد: قصة سائلين
كنت تعتقد أننا فهمنا الماء الآن. إنها واحدة من أكثر المواد وفرة والأكثر دراسة على هذا الكوكب. ولكن على الرغم من بساطته الظاهرة - ذرتان من الهيدروجين وذرة واحدة من الأكسجين لكل جزيء - فإن H2O معقد بشكل مخادع.
من الصعب بشكل مفاجئ على الماء أن يتجمد تحت درجة انصهاره: يقاوم الماء التجمد ما لم يكن لديه شيء ما ليبدأ ، مثل الغبار أو مادة صلبة أخرى تتشبث به. في الماء النقي ، يتطلب الأمر دفعًا نشطًا لدفع الجزيئات إلى الترتيب الخاص اللازم للتجميد. ويتمدد عندما يتجمد ، وهو سلوك غريب مقارنة بالسوائل الأخرى. لكن هذا الغرابة هو ما يحافظ على الحياة على الأرض. إذا غرقت مكعبات الثلج أو إذا لم يحتفظ بخار الماء في الغلاف الجوي بالدفء ، فلن توجد الحياة على الأرض كما نعرفها.
أبقى السلوك الغريب للمياه الفيزيائيين الكيميائيين بروس كاي وجريج كيميل مشغولين لأكثر من 25 عامًا. الآن ، حققوا هم وعلماء ما بعد الدكتوراه لوني كرينجل ووايت ثورنلي علامة فارقة يأملون في توسيع فهمنا للالتواءات التي يمكن أن تحدثها جزيئات الماء السائل.
تم اقتراح نماذج مختلفة لشرح خصائص الماء غير العادية. تُظهر البيانات الجديدة التي تم الحصول عليها باستخدام نوع من "لقطة" التوقف عن الحركة للمياه فائقة التبريد أنه يمكن أن يتكثف في بنية عالية الكثافة تشبه السائل. يتواجد هذا الشكل عالي الكثافة مع بنية منخفضة الكثافة تتماشى بشكل أكبر مع الترابط النموذجي المتوقع للمياه. تتناقص نسبة السائل عالي الكثافة بسرعة مع انتقال درجة الحرارة من -18.7 فهرنهايت (245 كلفن) إلى -117.7 فهرنهايت (190 كلفن) ، مما يدعم تنبؤات نماذج "الخليط" للمياه فائقة التبريد.
استخدم لوني وثورنلي التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء لمراقبة جزيئات الماء المحاصرة في نوع من التوقف عن الحركة عندما يتم ضرب طبقة رقيقة من الجليد بالليزر ، مما ينتج عنه ماء سائل فائق التبريد لبضع نانو ثانية عابرة.
قال كرينجل ، الذي أجرى العديد من التجارب: "الملاحظة الرئيسية هي أن جميع التغييرات الهيكلية كانت قابلة للعكس وقابلة للتكرار".
البَرَد الناعم : إنها مياه فائقة البرودة !
قد يساعد هذا البحث في تفسير الكريات الرقيقة التي تسقط أحيانًا أثناء عواصف الطقس البارد. يتشكل البَرَد الناعم (Graupel) عندما تتفاعل ندفة الثلج مع الماء السائل فائق التبريد في الغلاف الجوي العلوي.
يقول كاي ، زميل مختبر PNNL وخبير في فيزياء الماء: "الماء السائل في الغلاف الجوي العلوي يتم تبريده بعمق". "عندما تصادف ندفة ثلجية تتجمد بسرعة ثم تسقط على الأرض في الظروف المناسبة. إنها حقًا المرة الوحيدة التي يعاني فيها معظم الناس من تأثيرات المياه فائقة التبريد."
قد تساعد هذه الدراسات أيضًا في فهم كيفية وجود الماء السائل على الكواكب شديدة البرودة - كوكب المشتري وزحل وأورانوس ونبتون - في نظامنا الشمسي وما وراءه. ينتج بخار الماء فائق التبريد أيضًا ذيولًا جميلة تسير خلف المذنبات.
جمباز جزيء الماء
هنا على الأرض ، يمكن أن يؤدي فهم أفضل للالتواءات التي يمكن أن تؤديها المياه عند وضعها في موقف ضيق ، مثل جزيء ماء واحد مثبت في بروتين ، يمكن أن يساعد العلماء على تصميم أدوية جديدة.
قال كرينجل: "لا توجد مساحة كبيرة لجزيئات الماء التي تحيط بالبروتينات الفردية". "يمكن أن يلقي هذا البحث الضوء على كيفية تصرف الماء السائل في البيئات المكدسة بشكل وثيق."
وأشار ثورنلي إلى أنه "في الدراسات المستقبلية ، يمكننا استخدام هذه التقنية الجديدة لمتابعة إعادة الترتيب الجزيئي الكامن وراء مجموعة واسعة من التفاعلات الكيميائية."
لا يزال هناك الكثير لنتعلمه ، وستساعد هذه القياسات في تمهيد الطريق لفهم أفضل للسائل الأكثر وفرة في الحياة على الأرض.
المصدر