الملخص:
يعني الجليد عادةً درجة حرارة منخفضة، لكن العلماء أكدوا الآن أنه في البيئات شديدة الضغط، يمكن للمياه أن تشكل نوعًا خاصًا من "الجليد" الذي لا يزال موجودًا عند درجات حرارة تتجاوز 2000 درجة مئوية. نجح فريق بحث فرنسي مؤخرًا في إنشاء نوع جديد من الجليد في المختبر كان من المتوقع نظريًا وجوده سابقًا - وهو جليد سداسي فائق التأين ومكتظ. هذه المادة ليست صلبة تمامًا مثل الجليد العادي ولا يمكن أن تتدفق بحرية مثل السائل، وقد يساعد هيكلها الفريد في تفسير المجالات المغناطيسية المعقدة بشكل غير عادي داخل الكواكب الجليدية العملاقة مثل أورانوس ونبتون.
يعد الماء من أكثر المواد شيوعًا على وجه الأرض ولا غنى عنه للحياة. ومع ذلك، من المنظور الفيزيائي والكيميائي، يحتوي الماء في الواقع على العديد من الخصائص غير الطبيعية. على سبيل المثال، حجم الماء السائل العادي سوف يتوسع عندما يتجمد. كثافة الجليد أقل من كثافة الماء السائل؛ يحتوي الماء أيضًا على توتر سطحي مرتفع بشكل غير عادي ونقطة غليان. إذا تم حسابه بناءً على الوزن الجزيئي لجزيئات الماء، فمن المرجح أن يوجد الماء على شكل غاز في درجة حرارة الغرفة.
عندما تنتقل البيئة من سطح الأرض إلى باطن الكوكب، بينما تفرض في الوقت نفسه درجات حرارة وضغوطًا شديدة، فإن الماء يتصرف بطرق أكثر غرابة. قام الباحثون بمحاكاة الظروف القاسية داخل أورانوس ونبتون في المختبر هذه المرة، والتقطوا مباشرة البنية البلورية للجليد فائق التأين السداسي المكتظ لأول مرة.
إن ما يسمى بـ "الجليد فائق السرعة" هو حالة خاصة من المادة تقع بين المواد الصلبة والسوائل التقليدية. عندما يتعرض الماء لضغوط هائلة تصل إلى ملايين الضغط الجوي، تكون المادة قادرة على الحفاظ على بنية شبكية صلبة حتى في درجات الحرارة المرتفعة جدًا. في هذه الحالة، لا توجد جزيئات الماء الكاملة بالمعنى التقليدي. وتثبت ذرات الأكسجين في موضع الشبكة البلورية، بينما تستطيع نوى الهيدروجين التحرك بسرعة بين الشبكة البلورية المكونة من ذرات الأكسجين مثل الجزيئات الموجودة في السائل.
لذلك، من منظور مجهري، تتمتع هذه المادة ببعض الخصائص الصلبة والسائلة على حد سواء: تشكل ذرات الأكسجين شبكة صلبة مستقرة، في حين أن ذرات الهيدروجين شديدة الحركة. هذا الهيكل الفريد يجعل الجليد الفائق التأين موصلًا بدرجة عالية.
لتكوين هذه المادة الفائقة، وضع الباحثون عينة صغيرة جدًا من الماء بين طرفي الماس ثم مارسوا ضغطًا تدريجيًا يصل إلى 2.3 مليون ضغط جوي. وللمقارنة، يبلغ الضغط في باطن الأرض حوالي 3.6 مليون ضغط جوي. ثم استخدم الباحثون أشعة ليزر عالية الطاقة لتسخين الماء المضغوط إلى درجة حرارة 2630 كلفن، أو حوالي 2357 درجة مئوية.
في ظل هذه الظروف القاسية، استخدم الباحثون الأشعة السينية ذات إشعاع السنكروترون عالي الطاقة لإجراء عمليات مسح تفصيلية للعينات ومراقبة التغيرات الهيكلية للمياه في البيئات ذات درجة الحرارة العالية والضغط العالي من المقياس الذري. أخيرًا، التقطت التجربة بلورات ثلجية فائقة التأين، حيث يتم ترتيب ذرات الأكسجين في بنية سداسية متماسكة، أي بنية hcp.
كشفت التجربة أيضًا عن العملية التي يتم من خلالها تشكيل هذا الهيكل. ومع استمرار زيادة الضغط ودرجة الحرارة، فإن البنية المكعبة التي تركز على الوجه، أو fcc، لن تظل مستقرة إلى الأبد. سيحدث الانزلاق تدريجيًا بين طبقات مختلفة داخل البلورة، وفي النهاية سيتحول الهيكل الأصلي بالكامل إلى هيكل سداسي أكثر استقرارًا ومعبأ، وبالتالي تشكيل جليد فائق التأين كان محور التوقعات النظرية من قبل.
لا تقتصر أهمية هذا الاكتشاف على تكوين "جليد تزيد حرارته عن 2000 درجة مئوية". لقد اعتقد العلماء منذ فترة طويلة أنه قد تكون هناك طبقات جليدية فائقة التأين ضخمة داخل الكواكب الجليدية العملاقة مثل أورانوس ونبتون، وقد تكون الموصلية الخاصة لهذه المادة مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالمجالات المغناطيسية غير العادية للغاية للكوكبين.
تختلف المجالات المغناطيسية لأورانوس ونبتون بشكل كبير عن تلك الموجودة على الأرض. يشكل المجال المغناطيسي للأرض تقريبًا بنية منتظمة نسبيًا حول محور دوران الكوكب، لكن المجالات المغناطيسية لأورانوس ونبتون تنحرف بشكل كبير عن مركز الكوكب ومحور دورانه، كما أن هياكلهما معقدة وغير متماثلة. وسبق للعلماء أن اقترحوا أن المنطقة المولدة لهذا المجال المغناطيسي غير الطبيعي قد لا تكون موجودة في قلب الكوكب، بل في طبقة موصلة مكونة من مادة عالية الجهد بداخله.
يحتوي الجليد فائق السرعة على خاصية مهمة جدًا - فهو يمكنه توصيل الكهرباء. ونظرًا لأن نوى الهيدروجين يمكنها التحرك بحرية بين الشبكة الثابتة لذرات الأكسجين، فإن هذه المادة قادرة على تطوير خصائص كهربائية وهيدروديناميكية تختلف تمامًا عن الجليد العادي. إذا كانت هذه الطبقة من المواد موجودة بالفعل داخل أورانوس ونبتون، فقد تكون أحد العوامل المهمة التي تحرك المجالات المغناطيسية الغريبة للكوكبين.
وقد حصل العلماء سابقًا على دليل على وجود الجليد الفائق التأين من خلال الحسابات النظرية وتجارب الضغط العالي الأخرى، لكن هذه التجربة أكدت أيضًا أن هذه المادة يمكن أن تشكل بنية سداسية متماسكة في ظل الظروف القاسية. ويعتقد الباحثون أن هذه النتيجة تعني أن بعض نماذج البنية الداخلية وآليات التوصيل وتدفق المواد للكواكب العملاقة الجليدية قد تحتاج إلى مراجعة.
والأهم من ذلك أن ظروف درجة الحرارة والضغط داخل أورانوس ونبتون لا يمكن أن تحدث بشكل طبيعي على سطح الأرض، لذلك أصبحت تجارب الليزر عالي الجهد في المختبر وسيلة مهمة لدراسة هذه العوالم البعيدة. ومن خلال إعادة إنشاء التصميمات الداخلية للكواكب على الأرض، يمكن للعلماء دراسة حالات المادة التي لا يمكن للمركبات الفضائية الوصول إليها بشكل مباشر.
تم نشر نتائج البحث في Physical Review Letters. بالنسبة لعلماء الكواكب، فإن تأكيد وجود جليد فائق التأين سداسي الشكل ومتماسك لا يكشف فقط عن الأشكال المعقدة التي يمكن أن يتخذها الماء في ظل الظروف القاسية، ولكنه يوفر أيضًا أساسًا فيزيائيًا جديدًا لفهم أبعد كوكبين عملاقين في النظام الشمسي.
وبعبارة أخرى، فإن ما يسمى "الجليد الذي تتجاوز حرارته 2000 درجة مئوية" لا يعني أن مكعبات الثلج لن تذوب عند درجات حرارة عالية بالمعنى المعتاد، بل تعني حالة جديدة تماما من المادة تتشكل تحت ضغط هائل. في مثل هذه البيئة، انفصل الماء تمامًا عن السلوكيات الصلبة والسائلة والغازية التي نألفها كل يوم، واتخذ بنية غريبة تكون فيها ذرات الأكسجين ثابتة وتتحرك ذرات الهيدروجين بحرية. من المحتمل أن تكون مثل هذه الحالات المتطرفة للمادة مخفية في أعماق أورانوس ونبتون على بعد مليارات الكيلومترات.
التعليقات