اكتشف العلماء للتو نقطة حرجة مخفية في الماء قبل أن يتجمد مباشرة: ScienceAlert

كلما أصبح الماء أكثر برودة، يصبح سلوكه غريب على نحو متزايد من منظور فيزيائي، وقد وجد الباحثون الذين يبحثون عن تفسيرات شيئًا جديدًا: “نقطة حرجة” كانت مخفية سابقًا تظهر في الماء فائق البرودة الذي لا يتجمد.

ومن خلال مجموعة متنوعة من حيل الضغط ودرجة الحرارة، يستطيع العلماء الاحتفاظ بالمياه في صورة سائلة تحت درجة التجمد القياسية. الدراسات السابقة وقد نظري أنه في هذه المرحلة الخاصة، ينفصل الماء إلى مرحلتين متميزتين – سائل عالي الكثافة وسائل منخفض الكثافة.

في هذه الدراسة الجديدة، حصل فريق دولي من الباحثين على المزيد من الأدلة المباشرة على هذه الحالة السائلة، بالإضافة إلى النقطة الحرجة التي يتحول بعدها الماء إلى حالة واحدة ولكن متطايرة من حيث تركيبه الجزيئي.

لقد ثبت أن الحصول على أي نوع من النظرة المناسبة لحالات المياه هذه أمر صعب، لأنها موجودة على حدود تجمد الماء و يتحول إلى الجليد. إنه تم وصفها باعتبارها “منطقة محرمة” من حيث محاولة الحصول على القياسات المناسبة.

“الأمر المميز هو أننا تمكنا من التقاط الأشعة السينية بسرعة لا يمكن تصورها قبل تجمد الجليد، وتمكنا من ملاحظة كيف يختفي التحول من سائل إلى سائل وتظهر حالة حرجة جديدة.” يقول عالم الفيزياء الكيميائية أندرس نيلسون، من جامعة ستوكهولم في السويد.

“على مدى عقود من الزمن كانت هناك تكهنات ونظريات مختلفة لتفسير هذه الخصائص الرائعة، وكانت إحدى النظريات هي وجود نقطة حرجة. والآن وجدنا أن مثل هذه النقطة موجودة.”

كان التسخين السريع (بواسطة أشعة الليزر تحت الحمراء) واللقطات فائقة السرعة (بواسطة الأشعة السينية) أمرًا بالغ الأهمية للتجارب التي أجريت هنا. تم دفع الجليد الذي صممه الباحثون عبر الحالة السائلة، عبر النقطة الحرجة، إلى الحالة المتقلبة، كل ذلك أثناء إجراء الملاحظات على أصغر المقاييس الزمنية.

وفي حين لا يزال يتعين العثور على النقطة الحرجة الدقيقة، فإن هذه الدراسة تضيق الحدود بشكل كبير. ويعتقد الباحثون أن درجة الحرارة تبلغ حوالي -63 درجة مئوية (-81.4 درجة فهرنهايت) وعلامة 1000 درجة مئوية، مما سيساعد في مزيد من التحقيقات.

علاوة على ذلك، تبدو النقطة الحرجة يشبه الثقب الأسود. ومع اقتراب الماء منه، تتباطأ ديناميكيات نظام السائل، وتستغرق التغييرات في بنيته وقتًا أطول بكثير. هذا يجعل من المستحيل على السائل تجنب التحول.

قد تبدو هذه الاكتشافات مقصورة على فئة معينة ولا تهم سوى الفيزيائيين، لكنها في الواقع تعزز فهمنا لكيفية عمل الماء (ولماذا يمكن أن يتصرف بشكل غريب للغاية) على المستوى الأساسي. وله آثار على كل ما يتعلق بالمياه تقريبًا على كوكبنا وخارجه، وهو كثير.

“يمكن للباحثين الذين يدرسون فيزياء الماء الآن أن يستقروا على النموذج القائل بأن الماء لديه نقطة حرجة في نظام التبريد الفائق.” يقول نيلسون.

“المرحلة التالية هي العثور على آثار هذه النتائج على أهمية المياه في العمليات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية والجيولوجية والمناخية.”

ما عليك سوى أن انظر إلى مكعبات الثلج لرؤية غرابة الماء. عندما تبرد المادة، فإنها عادة ما تنكمش وتصبح أكثر كثافة، لكن ليس مع الماء، ولهذا السبب تطفو مكعبات الثلج بالقرب من أعلى الكوب بدلاً من أن تغوص إلى القاع.

متعلق ب: قد يكون الجليد الأسود الساخن هو المسؤول عن مغناطيسية نبتون الجامحة

توجد مجموعة متنوعة من الخصائص الغريبة الأخرى في الماء خارج حالاته الأكثر شيوعًا، بما في ذلك سلوك السائل اثنين في واحد تحليلها هنا. وهذه خطوة أخرى إلى الأمام، ولكن لا يزال هناك الكثير من الأسئلة التي يتعين الإجابة عليها.

هناك شيء آخر يفصل الماء عن السوائل الأخرى وهو أنه ضروري للحياة، على حد علمنا. وهذا هو الاتجاه الذي يريد الباحثون مواصلة استكشافه.

“أجد أنه من المثير للغاية أن يكون الماء هو السائل الوحيد فوق الحرج في الظروف المحيطة حيث توجد الحياة، ونحن نعلم أيضًا أنه لا توجد حياة بدون ماء.” يقول الفيزيائي الكيميائي فيفوس بيراكيس، من جامعة ستوكهولم.

“هل هذه صدفة بحتة أم أن هناك بعض المعرفة الأساسية التي يمكننا اكتسابها في المستقبل؟”

وقد تم نشر البحث في علوم.