بالنسبة لشيء شائع جدًا في حياتنا اليومية، هناك قائمة طويلة بشكل مدهش من الأسئلة التي لم يجيب عليها العلماء بعد حول الجليد، وهو الشكل الصلب من الماء، الذي يظهر في القهوة المثلجة، والرذاذ البارد على قمم الجبال، وبالطبع الأسطح خارج كوكب الأرض. ومن المثير للدهشة أن العلماء يواصلون العثور على أنواع جديدة تمامًا من الجليد، مما يزيد من الغموض المحيط بكيفية تشكل الجليد في بيئات مختلفة.
في ورقة بحثية حديثة نشرتها مجلة Nature Materials، أعلن فريق من العلماء بقيادة معهد الأبحاث الكوري للمعايير والعلوم (KRISS) عن اكتشاف الجليد الحادي والعشرون، وهو مرحلة جديدة تمامًا من الجليد تتشكل عندما يتم ضغط الماء بسرعة في درجة حرارة الغرفة. الأمر المثير للاهتمام بشكل خاص حول هذا الشكل الجليدي هو أنه يظهر ضمن نطاق ضغط الجليد السادس، وهو شكل معروف سابقًا من الجليد يُعتقد أنه موجود داخل الأقمار الجليدية مثل تيتان وجانيميد.
الممرات الجليدية
من الناحية الكيميائية، يمكن للماء – على الرغم من احتوائه على عنصرين، الهيدروجين والأكسجين – أن يشكل مجموعة متنوعة بشكل ملحوظ من الهياكل البلورية كمادة صلبة. اكتشف العلماء حتى الآن 20 ترتيبًا مختلفًا للجليد النقي؛ كما يشير الرقم الروماني، الجليد الحادي والعشرون هو الحادي والعشرون.
قال جيون وو لي، مؤلف الدراسة الرئيسي والباحث في KRISS، في مقابلة مع موقع XFEL الأوروبي: “هناك العديد من الأسئلة (حول) كيف تصنع هذه المادة البسيطة الكثير من المراحل البلورية المختلفة”. لذلك يريد الباحثون “فهم المسارات التفصيلية للتبلور من الماء إلى الجليد”.
للعثور على هذه الأشكال الجليدية، يقوم الباحثون بإجراء تجارب على درجات حرارة وضغوط مختلفة، وتحديد “المسارات” المختلفة التي من خلالها ترتب جزيئات الماء نفسها في الجليد. ومن أجل التجربة، كشف الفريق عن مسار “مخفي” داخل منطقة الضغط التي تشكل الجليد السادس.
وأوضح لي في بيان DESY: “إن الضغط السريع للمياه يسمح لها بالبقاء سائلة حتى ضغوط أعلى، حيث ينبغي أن تتبلور بالفعل إلى الجليد السادس”.
في هذا المسار إلى VI، يتشكل الجليد XXI كبنية شبه مستقرة، مما يعني أنه عالق في توازن غير مستقر بين مرحلة وأخرى، وهو موجود لبعض الوقت “على الرغم من أن شكلًا آخر من الجليد سيكون أكثر استقرارًا في تلك الظروف”، كما أوضح الباحثون.
أدخل الأشعة السينية العملاقة
في هذه التجربة، قام الباحثون بتصنيع خليتين من الماس، وهي أداة تشبه “كسارة البندق على المنشطات”، قادرة على إنتاج ضغوط شديدة تصل إلى 2 غيغاباسكال، أو 20 ألف مرة أكثر من ضغط الهواء العادي. أثناء قيام الفريق بضغط وإزالة ضغط جزيئات الماء داخل الخلايا بشكل متكرر، التقطت أشعة ليزر الأشعة السينية العملاقة في XFEL الأوروبي كل ميكروثانية من التغيير داخل الجليد.
بعد ذلك، استخدموا PETRA III، معجل الجسيمات في DESY، لتحديد البنية الدقيقة للجليد XXI: بلورة رباعية الزوايا تتكون من وحدات كبيرة ومتكررة على عكس أي مرحلة جليدية أخرى شوهدت من قبل.
وأضافت راشيل هازبند، مؤلفة مشاركة في الدراسة وعالمة فيزياء في مركز DESY في ألمانيا: “تشير النتائج التي توصلنا إليها إلى احتمال وجود عدد أكبر من مراحل الجليد شبه المستقرة ذات درجة الحرارة العالية ومسارات الانتقال المرتبطة بها”. وقالت إن المزيد من التحقيقات يمكن أن تقدم “رؤى جديدة حول تكوين الأقمار الجليدية”.
وأضاف لي: “الماء هو أحد أكثر المواد غموضا في الكون”. “لماذا يشكل هذان العنصران البسيطان الكثير من الأنواع المختلفة من الأطوار؟ نعتقد أنه لا تزال هناك أطوار بلورات ثلجية مختلفة (غير معروفة)، وعندما نقول غير معروف، نعني أنه لم يتم اكتشافه بعد، ولكنه يمكن أن يكون موجودًا.”