تشير صور الذرات الموجودة على سطح الماء المتجمد إلى كيفية تشكل الطبقة الملساء
يأتي انزلاق الماء المتجمد من طبقة تشبه السائل على سطحه. وتساعد ترتيبات جزيئات الماء على سطح الجليد (الموضحة باللون الأزرق) في تفسير كيفية تشكل تلك الطبقة.
Credit : Jiang Group/Peking University
سطح الجليد هو موضوع زلق
لأكثر من 160 عامًا، ظل العلماء يتناقشون حول خصائص الشكل الخارجي للجليد. الماء المتجمد مغطى بطبقة من الجزيئات التي تتصرف كالسائل. تجربة جديدة تصور سطح الجليد وتلمح إلى أصول طبقته شبه السائلة.
تظهر طبقة الجليد الذائبة حتى عند درجات حرارة أقل بكثير من درجة التجمد، وهي ظاهرة تعرف باسم "الذوبان المسبق". تعمل هذه الطبقة بمثابة مادة تشحيم، مما يفسر سبب انزلاق الجليد حتى في الظروف شديدة البرودة. ولكن منذ أن فكر العالم البريطاني مايكل فاراداي لأول مرة في فكرة الطبقة السائلة في خمسينيات القرن التاسع عشر، ظل السطح غير المعتاد للجليد غير مفهوم بشكل جيد.
وفي الدراسة الجديدة، استخدم العلماء مجهر القوة الذرية لقياس مواقع الذرات على سطح الجليد. عند درجات حرارة حوالي -150 درجة مئوية، لا يتكون سطح الجليد من نوع واحد فقط من الجليد، بل من نوعين، حسبما أفاد الفيزيائي يينغ جيانغ من جامعة بكين وزملاؤه في 22 مايو في مجلة Nature. والأكثر من ذلك، كما يقول جيانغ، أن "الجليد ليس مثاليًا". وجد الفريق عيوبًا في بنية السطح، والتي يبدو أنها بدأت عملية الذوبان المسبق.
يمكن لجزيئات الماء، التي تتكون من ذرة أكسجين واحدة (أزرق أو أحمر أو أسود) وذرتي هيدروجين (أبيض)، أن تتخذ هياكل مختلفة على سطح الجليد. يتكون Ice Ih (الأزرق) من طبقات من جزيئات الماء مرتبة في أشكال سداسية ومكدسة مباشرة فوق بعضها البعض. يتم إزاحة Ice Ic (الأحمر) بالنسبة للطبقة الموجودة أدناه (يشار إليها بأشكال سداسية). ويكون سطح الجليد عند درجة حرارة منخفضة عبارة عن خليط من كلا المرحلتين، مع وجود جزيئات مضطربة (سوداء) في الحدود بين المرحلتين.
Credit : Jiang Group/Peking University
يأتي الجليد في أنواع مختلفة، اعتمادًا على ترتيب جزيئاته . في الظروف العادية، يتم ترتيب جزيئات الماء في طبقات من الأشكال السداسية مكدسة فوق بعضها البعض. هذا الجليد السداسي، المسمى جليد Ih، هو النوع الذي درسه جيانغ وزملاؤه. لكن الفريق وجد أن سطح الجليد لم يكن سداسي الشكل بالكامل. وكشفت الصور بمجهر القوة الذرية أن السطح يتكون من بعض مناطق الجليد Ih ومناطق أخرى من الجليد Ic، حيث يتم إزاحة الأشكال السداسية في كل طبقة لتكوين بنية مشابهة لترتيب ذرات الكربون في الماس.
يقول الكيميائي يوكي ناجاتا من معهد ماكس بلانك لأبحاث البوليمرات في ماينز بألمانيا: "لقد تأثرت كثيرًا.. الصورة جميلة جدًا". "من الصعب جدًا تحديد مكان وجود الجزيئات، لكنني أعتقد أنها تمكنت من الوصول إليها بنجاح كبير."
تكشف صورة مجهر القوة الذرية عن بنية سطح الجليد. تشير النقاط المضيئة إلى مواقع جزيئات الماء. تشير البقع الأكثر سطوعًا إلى جزيئات الماء التي تحتوي على ذرات هيدروجين متجهة للأعلى، بينما تشير البقع الخافتة إلى ذرات هيدروجين مسطحة أو متجهة لأسفل. تحيط المثلثات التي تشير إلى الأعلى بالجليد في مرحلة واحدة، بينما تشير المثلثات التي تشير إلى الأسفل إلى مرحلة أخرى من الجليد.
J. HONG ET AL/NATURE 2024
عند الحدود بين نوعي الجليد، وجد الباحثون عيوبًا في بنية الجليد، ناتجة عن عدم محاذاة النموذجين. وعندما رفع الباحثون درجة الحرارة بضع درجات، توسعت تلك المناطق المضطربة. في السوائل، تكون الذرات والجزيئات مختلطة بالمثل، وينطبق الشيء نفسه على طبقة الجليد شبه السائلة. ويجادل الفريق بأن توسع الاضطراب يمثل المراحل الأولية من الذوبان المسبق.
ومع ارتفاع درجة الحرارة بشكل أكبر، أدت الهياكل الموجودة في تلك الحدود إلى تضخيم الاضطراب بشكل أكبر. عادة، يتكون الجليد من طبقات مجعدة: بعض جزيئات الماء في كل طبقة تكون أقل، وبعضها أعلى. لكن الفريق وجد أماكن تصطف فيها جزيئات الماء في مستوى، وهو هيكل كان بمثابة "بذرة" لمزيد من الفوضى.
وفي درجات حرارة أعلى، تشير عمليات المحاكاة الحاسوبية التي أجراها الفريق، إلى أن الاضطراب قد يتوسع ليغطي سطح الجليد بأكمله، مما يعطي الجليد مظهره الكامل الشبيه بالسائل.
يتطلب اكتشاف بنية سطح الجليد القدرة على تحديد مواقع ذرات الهيدروجين الفردية، وكل منها عبارة عن بروتون واحد فقط. وهذه مهمة تمثل تحديًا عادةً مع الفحص المجهري للقوة الذرية. يقوم مجهر القوة الذرية بفحص المواد بطرف رفيع جدًا بحيث يتدلى في النهاية جزيء أو ذرة واحدة فقط. أضاف الباحثون قرصًا خاصًا، حيث تم ربط جزيء أول أكسيد الكربون بطرف المسبار . ومن خلال قياس القوة بين هذا الطرف والسطح أثناء مسح الطرف عبر الجليد، تمكن الفريق من استنتاج مواقع البروتونات.
تم إجراء الدراسة في درجات حرارة أقل بكثير من الجليد في الحياة اليومية. ولكن بما أن التجربة يجب أن تتم في الفراغ، فإن رفع درجة الحرارة أكثر من اللازم سيؤدي إلى هروب جزيئات الماء من الجليد. وفي النهاية، يأمل الباحثون في استخدام نبضات ليزر قصيرة لتسخين الجليد لفترة وجيزة للحصول على قياسات في ظل ظروف أكثر اعتدالًا.
المصدر: