استخدم فريق بحث علمي دولي مطياف النيوترونات المتطور ومرافق أخرى في معهد Laue-Langevin في فرنسا لمراقبة الشكل الغريب للمياه - "Plasticice VII" (Plasticice VII) لأول مرة. يمكن أن تساعد دراسة الحالة البلاستيكية وحالة الماء الفائقة التأين الناس على فهم البنية الداخلية والتدفق الجليدي للأقمار الصناعية الجليدية مثل جانيميد وكاليستو، بالإضافة إلى الكواكب الجليدية مثل أورانوس ونبتون. نُشرت الورقة ذات الصلة في العدد الأخير من مجلة Nature.


مصدر الصورة: شبكة منظمة الفيزيائيين

بشكل عام، الماء له ثلاثة أشكال أساسية: الصلبة والسائلة والغازية. ولكن في الواقع، للماء أشكال أخرى عديدة، بعضها لا يظهر إلا تحت درجات حرارة وضغوط عالية وتسمى الحالات الغريبة. قبل خمسة عشر عامًا، استخدم العلماء محاكاة الديناميكيات الجزيئية للتنبؤ بوجود "الجليد البلاستيكي السابع"، وكانت هذه الدراسة أول من رصد هذا الشكل تجريبيًا.

الحالة البلاستيكية هي حالة مختلطة لها خصائص الحالة الصلبة والسائلة. داخل بلاستيك Ice Seven، تشكل جزيئات الماء شبكة مكعبة صلبة - تمامًا كما هو الحال في Ice Seven (شكل ثلج بلوري مكعب يمكن تشكيله من ماء سائل أعلى من 3 جيجا باسكال بعد التبريد إلى درجة حرارة الغرفة)، ولكن في نفس الوقت تظهر حركة دورانية بيكو ثانية داخل الماء السائل. يظهر هذا الشكل الغريب في بيئة ذات درجة حرارة عالية تبلغ 177 درجة مئوية -327 درجة مئوية وبيئة ضغط تتراوح من 0.1 جيجا باسكال إلى 6 جيجا باسكال (1 جيجا باسكال = 1 مليار باسكال).

لعبت تقنية تشتت النيوترونات شبه المرنة (QENS) دورًا رئيسيًا في هذا البحث. يمكن لـ QENS اكتشاف الديناميكيات الانتقالية والدورانية للأجسام بشكل أكثر دقة من التقنيات الطيفية الأخرى. من خلال QENS، حدد الفريق ثلاثة أشكال مختلفة يتخذها الماء عندما تتغير درجة الحرارة والضغط: الماء السائل الذي تتحرك فيه جزيئات الماء في كل من الترجمة والدوران؛ الجليد الصلب الذي يتم فيه تجميد كل من الترجمة والدوران؛ و"الثلج البلاستيكي سبعة" في المنتصف. داخل Plastic Ice Seven، تفقد جزيئات الماء المرتبة في بنية بلورية مرتبة القدرة على الترجمة بحرية ولكنها تحتفظ بالقدرة على الدوران.

أظهر المزيد من التحليل أن الديناميكيات الجزيئية للثلج البلاستيكي 7 قد تكون أكثر تعقيدًا مما تمت محاكاته في الأصل، وأن آلية الدوران الجزيئي الخاصة به تختلف عن سلوك الدوار الحر المتوقع مسبقًا. علاوة على ذلك، فإن انتقال الماء من "الجليد السابع" إلى "الثلج البلاستيكي سبعة" مستمر، مما يعني أن "الثلج البلاستيكي سبعة" قد يكون "سلفا" لحالة فائقة التأين أخرى توجد عند درجات حرارة وضغوط أعلى.