اكتشف العلماء حالة جديدة من الماء

2024 مؤلف: Seth Attwood | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-16 15:57

من الأشياء الأساسية التي نتعلمها في فصول العلوم بالمدرسة أن الماء يمكن أن يوجد في ثلاث حالات مختلفة: الثلج الصلب ، أو الماء السائل ، أو البخار الغازي. لكن في الآونة الأخيرة ، وجد فريق دولي من العلماء علامات على أن الماء السائل يمكن أن يوجد بالفعل في دولتين مختلفتين.

أثناء إجراء العمل البحثي - نُشرت النتائج لاحقًا في المجلة الدولية لتقنية النانو - اكتشف العلماء بشكل غير متوقع أن عددًا من الخصائص تتغير في الماء مع درجة حرارة من 50 إلى 60 درجة مئوية. أثارت هذه العلامة على احتمال وجود حالة سائلة ثانية من الماء نقاشًا ساخنًا في الأوساط العلمية. إذا تم التأكيد ، فسيجد الاكتشاف تطبيقات في العديد من المجالات ، بما في ذلك تكنولوجيا النانو وعلم الأحياء.

الحالات التجميعية ، والتي تسمى أيضًا "الأطوار" ، هي المفهوم الأساسي لنظرية أنظمة الذرات والجزيئات. بشكل تقريبي ، يمكن تنظيم نظام يتكون من العديد من الجزيئات في شكل عدد معين من التكوينات اعتمادًا على الكمية الإجمالية للطاقة. في درجات الحرارة المرتفعة (وبالتالي عند مستوى طاقة أعلى) ، يتوفر عدد أكبر من التكوينات للجزيئات ، أي أنها أقل تنظيمًا وتتحرك بحرية نسبيًا (الطور الغازي). في درجات الحرارة المنخفضة ، يكون للجزيئات تكوينات أقل وتكون في مرحلة أكثر تنظيماً (سائلة). إذا انخفضت درجة الحرارة إلى أقل من ذلك ، فسوف يفترضون تكوينًا واحدًا محددًا ويشكلون مادة صلبة.

هذه هي الحالة العامة للجزيئات البسيطة نسبيًا مثل ثاني أكسيد الكربون أو الميثان ، والتي لها ثلاث حالات متميزة (سائلة ، وصلبة ، وغازية). لكن الجزيئات الأكثر تعقيدًا لها عدد أكبر من التكوينات الممكنة ، مما يعني أن عدد المراحل يزداد. مثال ممتاز على ذلك هو السلوك المزدوج للبلورات السائلة ، والتي تتكون من معقدات من الجزيئات العضوية ويمكن أن تتدفق مثل السوائل ، ولكنها لا تزال تحتفظ ببنية بلورية صلبة.

نظرًا لأن مراحل مادة ما يتم تحديدها من خلال تكوينها الجزيئي ، فإن العديد من الخصائص الفيزيائية تتغير بشكل كبير عندما تنتقل المادة من حالة إلى أخرى. في الدراسة المذكورة أعلاه ، قام العلماء بقياس العديد من خصائص التحكم في الماء بين 0 و 100 في ظل الظروف الجوية العادية (بحيث يكون الماء سائلاً). بشكل غير متوقع ، وجدوا اختلافات كبيرة في خصائص مثل التوتر السطحي للماء ومعامل الانكسار (المؤشر الذي يعكس كيفية انتقال الضوء عبر الماء) عند درجة حرارة حوالي 50.

هيكل خاص

كيف يكون هذا ممكنا؟ إن تركيب جزيء الماء ، H₂O ، ممتع للغاية ويمكن تصويره كنوع من الأسهم ، حيث توجد ذرة الأكسجين في الأعلى ، و "ترافق" ذرتا هيدروجين من الجانبين. تميل الإلكترونات في الجزيئات إلى أن تتوزع بشكل غير متماثل ، ولهذا السبب يتلقى الجزيء شحنة سالبة من جانب الأكسجين مقارنة بجانب الهيدروجين. تؤدي هذه الميزة الهيكلية البسيطة إلى حقيقة أن جزيئات الماء تبدأ في التفاعل مع بعضها البعض بطريقة معينة ، حيث تجذب الشحنات المعاكسة لها ، وتشكل ما يسمى برابطة الهيدروجين.

يسمح هذا للماء في كثير من الحالات بالتصرف بشكل مختلف عما لاحظته السوائل البسيطة الأخرى. على سبيل المثال ، على عكس معظم المواد الأخرى ، تشغل كتلة معينة من الماء مساحة أكبر في الحالة الصلبة (في شكل جليد) عنها في الحالة السائلة ، وذلك بسبب حقيقة أن جزيئاتها تشكل بنية منتظمة محددة.مثال آخر هو التوتر السطحي للماء السائل ، وهو ضعف التوتر السطحي للسوائل الأخرى غير القطبية والأبسط.

الماء بسيط جدًا ، لكنه ليس غامرًا. هذا يعني أن التفسير الوحيد لمرحلة الماء الإضافية التي تجسدت هو أنها تتصرف قليلاً مثل البلورة السائلة. تحافظ الروابط الهيدروجينية بين الجزيئات على ترتيب معين في درجات الحرارة المنخفضة ، لكنها يمكن أن تأتي أيضًا إلى حالة أخرى أكثر حرية مع زيادة درجة الحرارة. هذا ما يفسر الانحرافات الكبيرة التي لاحظها العلماء أثناء البحث.

إذا تم تأكيد ذلك ، فقد يكون لاستنتاجات المؤلفين استخدامات عديدة. على سبيل المثال ، إذا كانت التغييرات في البيئة (على سبيل المثال ، درجة الحرارة) تستلزم تغييرات في الخصائص الفيزيائية لمادة ما ، فيمكن نظريًا استخدام هذا لإنشاء معدات السبر. أو يمكنك الاقتراب منه بشكل أكثر جوهرية - فالنظم البيولوجية تتكون أساسًا من الماء. من المحتمل أن تعتمد كيفية تفاعل الجزيئات العضوية (مثل البروتينات) مع بعضها البعض على كيفية تكوين جزيئات الماء للمرحلة السائلة. إذا فهمت كيف تتصرف جزيئات الماء في المتوسط في درجات حرارة مختلفة ، يمكنك توضيح كيفية تفاعلها في الأنظمة البيولوجية.

يمثل هذا الاكتشاف فرصة رائعة للمنظرين والمُجربين ، فضلاً عن أنه مثال ممتاز على حقيقة أنه حتى أكثر المواد المألوفة يمكنها إخفاء الأسرار داخل نفسها.

رودريجو ليديسما أغيلار