الحالة الصلبة للماء تتبين أنها أعقد بكثير مما تبدو عليه
قد يبدو الجليد مألوفًا في درج الفريزر أو على بحيرة شتوية، لكن الفيزيائيين يتعاملون معه بشكل متزايد بوصفه واحدًا من أكثر مواد الطبيعة إثارة للدهشة. ووفقًا لتقرير جديد في Quanta Magazine، حدّد العلماء ثلاثة أنواع جديدة من الجليد خلال العام الماضي وحده، بما في ذلك اثنان من أكثر أطوار الجليد تعقيدًا التي تمت ملاحظتها حتى الآن. وتضيف الاكتشافات إلى فهرس متنامٍ يضم بالفعل أكثر من 20 طورًا معروفًا من الجليد البلوري.
القصة ليست فقط أن للجليد أنواعًا كثيرة. بل إن الماء يبدو قادرًا على تنظيم نفسه في طيف غير عادي من البنى الصلبة تحت ظروف مختلفة. ويقول الباحثون الآن إن المحاكاة الحاسوبية تنبأت بعشرات الآلاف من الأشكال المحتملة للجليد. وهذا لا يعني أن جميعها ستُعثر عليها في المختبر أو في الطبيعة، لكنه يشير إلى أن العلماء كانوا يعملون في مساحة أطوار أغنى بكثير مما سمحت به الافتراضات القديمة.
لماذا يظل الجليد يدهش الفيزيائيين
يكمن السبب في هندسة جزيء الماء نفسه. يصف Quanta كل جزيء ماء بأنه ذرة أكسجين مرتبطة بذرتي هيدروجين، مع وجود زوجين من الإلكترونات الحرة يوسّعان الشكل الفعلي للجزيء إلى ما يشبه أربعة أذرع تفصل بينها القوى الكهرومغناطيسية. وتمنح هذه البنية الماء مرونة غير معتادة في كيفية تنظيمه ضمن ترتيبات بلورية متكررة.
في الجليد العادي، تشكّل هذه الجزيئات بنية سداسية واسعة. وهذا الترتيب المفتوح يجعل الجليد الشائع أقل كثافة من الماء السائل، ولهذا يطفو الجليد ولماذا تتجمد البحيرات من الأعلى إلى الأسفل. لكن تحت الضغط، يمكن للماء أن ينضغط إلى أنماط مختلفة تمامًا. ومع تغيير الحرارة أو الضغط أو سرعة تطبيق هذه الظروف، يمكن للجزيئات أن تستقر في حالات بلورية جديدة.
قال ماريُس ميلو من مختبر لورنس ليفرمور الوطني لـ Quanta إن حتى التغيرات الطفيفة في طريقة ضغط الماء يمكن أن تكشف سلوكًا غير متوقع تمامًا. وتساعد هذه الملاحظة في تفسير سبب تسارع هذا المجال. فمع تحسن التقنيات التجريبية وتخلي الباحثين عن الافتراضات القديمة، يكشفون بنى كانت مخفية سابقًا بسبب صعوبة صنعها أو رصدها.
