البشرية تقترب من معرفة سبب إمكانية فصل الماء إلى سائلين مختلفين

يعتبر الجمال المبهر لندفة الثلج، شهادة على الأشكال المذهلة التي يمكن أن تشكلها المياه تحت نقطة التجمد.

وعند تعرضه للضغط، فإن الرقص الأنيق لجزيء H2O يتحول إلى شيء غريب في درجات حرارة شديدة البرودة، ما يؤدي فعليا إلى ربط عقد لتجنب التحول إلى جليد.

وقام باحثون من جامعة برمنغهام في المملكة المتحدة وSapienza Università di Roma في إيطاليا بفحص سلوك الجزيئات في الماء السائل المضغوط الموضوعة في ظروف تؤدي عادة إلى تبلورها.

وبناء على طريقة جديدة لنمذجة سلوك الماء كتعليق للجسيمات، حددوا السمات الرئيسية لحالتين سائلتين مختلفتين؛ إحداهما “معقدة طوبولوجيا”، مرتبطة في عقدة علوية مشابهة للعقد المملح، والأخرى بتكوين أقل كثافة من حلقات أبسط.

ويقول الكيميائي بجامعة برمنغهام، دويبايان تشاكرابارتي: “هذا النموذج الغروي للماء يوفر عدسة مكبرة في الماء الجزيئي، ويمكننا من كشف أسرار الماء فيما يتعلق بقصة سائلين”.

وأشارت النظريات الموضوعة في التسعينيات إلى أنواع التفاعلات الجزيئية التي يمكن أن تحدث عندما يكون الماء شديد البرودة – مبردا إلى درجات حرارة أقل من نقطة التجمد النموذجية دون أن يتجمد.

ودفع العلماء حدود تبريد الماء دون أن يتحول إلى حالة صلبة لسنوات حتى الآن، وتمكنوا في النهاية من الاحتفاظ بها في شكل سائل فوضوي عند درجة حرارة شديدة البرودة – 263 درجة مئوية (-441 درجة فهرنهايت) للحظة منقسمة بدونها يتحول إلى جليد.

وبقدر ما تم إحراز تقدم في إظهار هذه الحالات في المختبر، لا يزال العلماء يحاولون تحديد شكل السوائل فائقة التبريد بالضبط عند حرمانهم من الحرارة.

ومن الواضح أنه في النقاط الحرجة، ترتفع عوامل الجذب القطبية المتنافسة بين جزيئات الماء فوق ضوضاء الطنين الديناميكي الحراري لجزيئات الاهتزاز. وبدون مساحة الكوع للدفع إلى شكل بلوري، تحتاج الجزيئات إلى إيجاد تكوينات مريحة أخرى.

ومع وجود العديد من العوامل في اللعب، يحاول الباحثون عادة تبسيط ما في وسعهم والتركيز على المتغيرات المهمة. وفي هذه الحالة، فإن النظر إلى “كتل” الماء كما لو كانت جزيئات أكبر مذابة في السائل يساعد على فهم التحولات من ترتيب إلى آخر بشكل أفضل.

وأشارت النماذج الحاسوبية القائمة على هذا المنظور إلى تغيير طفيف بين الماء المتباعد، والشكل المصنوع من الجسيمات التي تستقر بالقرب من بعضها البعض في شكل أكثر كثافة.

ومن المثير للاهتمام، أن شكل – أو طوبولوجيا – التفاعلات الجزيئية في هذا المشهد المائي بدا مختلفا تماما أيضا، حيث أصبحت الجزيئات متشابكة في شبكات معقدة أثناء تجمعها، أو أشكال أبسط بقدر ما تنفصل.

ويقول فرانشيسكو سكورتينو، عالم فيزياء المادة المكثفة في Sapienza Università di Roma: “في هذا العمل، نقترح، لأول مرة، رؤية مرحلة انتقال السائل إلى السائل بناء على أفكار تشابك الشبكة. أنا متأكد من أن هذا العمل سيلهم النمذجة النظرية الجديدة القائمة على المفاهيم الطوبولوجية”.

وهذه المساحة الغريبة لشبكات الجسيمات المتشابكة جاهزة للاستكشاف. وعلى الرغم من أنها لا تختلف تماما عن السلاسل الطويلة من الجزيئات المترابطة تساهميا، إلا أن هذه العقد عابرة، حيث تتبادل الأعضاء مع تغير البيئة السائلة.

ونظرا لتفاعلاتها المتشابكة، فإن طبيعة الماء السائل الموجود في البيئات ذات الضغط العالي ودرجات الحرارة المنخفضة يجب أن تكون مختلفة تماما عن أي شيء نجده يتدفق على سطح الأرض.

كما أن معرفة المزيد عن السلوك الطوبولوجي ليس فقط للمياه في ظل هذه الظروف ولكن السوائل الأخرى يمكن أن تعطينا نظرة ثاقبة على نشاط المواد في البيئات المتطرفة أو التي يصعب الوصول إليها، مثل أعماق الكواكب البعيدة.