عادة ما نفكر في الثلج على أنه مجرد ماء مبرد، بسيط، وصلب، وبارد. لكن الماء هو في الواقع "سيد التنكر". وعلى الرغم من أنه يتكون من ذرتين فقط، الهيدروجين والأكسجين، فإنه يمكن أن يشكل أكثر من 20 نوعًا مختلفًا من الجليد، ولكل منها بنية داخلية فريدة من نوعها. بعض أشكال الثلج تكون ناعمة ومألوفة، مثل مكعبات الثلج العادية الموجودة في الثلاجات المنزلية؛ بينما في البيئات ذات الضغط العالي مثل أعماق الأرض أو على الأقمار الصناعية البعيدة، قد تظهر بعض "أطوار الجليد" الغريبة.
لقد ظل العلماء يستكشفون هذه الأنواع الغامضة من الجليد لأكثر من قرن من الزمان، ليس فقط من باب الفضول ولكن لفهم كيف تتصرف المياه في الظروف القاسية، بما في ذلك الأماكن التي قد توجد فيها حياة غريبة.
واكتشفت أبحاث سابقة أنواعا جديدة من الجليد مثل Ice XIX، الذي يحتوي على ذرات أكسجين مرتبة بنفس طريقة Ice XV ولكن ذرات الهيدروجين مرتبة بشكل مختلف. هناك أيضًا مرحلة جليدية جديدة تسمى Ice VIIIt، والتي تحدث بشكل رئيسي في أعماق غطاء الأرض أو على الكواكب الخارجية الغنية بالمياه، وتم تصنيفها لاحقًا باسم Ice X.
اكتشف علماء من المعهد الكوري للمعايير والعلوم (KRISS) مؤخرًا نوعًا جديدًا تمامًا من الجليد: اسمه رسميًا Ice XXI، ويختلف هيكله تمامًا عن أي نوع معروف سابقًا.
واستخدموا جهازًا تجريبيًا قويًا مصنوعًا من سندان ماسي وأشعة ليزر ليزر لمراقبة سلوك الماء المضغوط للغاية في درجة حرارة الغرفة. وبشكل غير متوقع، لم يتجمد الماء مباشرة إلى جليد في نطاق الضغط هذا، ولكنه شهد دورات تجميد وذوبان متعددة، وأخيرًا ولد الجليد XXI في نطاق الضغط النموذجي للجليد السادس.
ما الذي يميز Ice XXI؟ وله بنية ذرية فريدة تختلف بشكل كبير عن أكثر من 20 نوعًا معروفًا حاليًا من الجليد. والأهم من ذلك، أنه يظهر "حالة شبه مستقرة"، أي أنه لا يزال من الممكن أن يوجد لفترة وجيزة في بيئة غير مستقرة في الأصل، مما يوفر للباحثين الفرصة لمراقبة عملية تكوين الجليد تحت ضغط مرتفع. ومن المتوقع أن يساعد هذا الاكتشاف العلماء على فهم البيئة المادية للكوكب الجليدي والأرض العميقة.
وأوضح عالم KRISS Geun Woo Lee أن "ضغط الماء بسرعة يسمح له بالبقاء سائلاً عند ضغوط أعلى حيث كان ينبغي أن يتحول إلى جليد VI".
استخدم فريق البحث سندانات الماس لخلق ضغط عالٍ، وأجرى تجارب على عينات مياه نقية للغاية، واستخدم كاميرات عالية السرعة وأجهزة استشعار ليزر ومعدات مراقبة في الوقت الفعلي لمراقبة عمليات تجميد وذوبان الجليد في درجات الحرارة العادية. ومن خلال ضبط الضغط، والتقاط التحولات الهيكلية، واستخدام التحليل الطيفي رامان لتحليل التغيرات داخل جزيئات الماء، تم تسجيل كل لحظة من تجميد الماء. يتم استخدام مضان بلورات الياقوت المجهرية لقياس الضغط بدقة.
ويستخدم العلماء أيضًا حزمًا قوية من الأشعة السينية من إشعاع السنكروترون، جنبًا إلى جنب مع أجهزة الكشف عالية الدقة وبرامج التحليل، لمراقبة اللحظة الدقيقة التي يشكل فيها الماء "جليدًا غير طبيعي". من أجل مطابقة إيقاع تجميد الجليد بشكل أفضل، يتم تطبيق الضغط بإيقاع مثلثي غير منتظم. التقط نوعان من أجهزة الكشف بيانات تجريبية في وقت واحد بمعدل 560 ألف مرة في الثانية و10 مرات في الثانية على التوالي، مما يسمح لهم بتصوير "الرقصة الخفية" للمياه التي تتحول إلى جليد.
استخدمت عمليات محاكاة الديناميكيات الجزيئية نموذجين، SPCfw وTIP4P/Ice. يمثل TIP4P/Ice جزيئات الماء الصلبة، بزوايا وأطوال روابط غير متغيرة بشكل أساسي، وهو مناسب جدًا لدراسة الجليد عالي الضغط؛ يعد نموذج SPCfw أكثر مرونة ويمكنه محاكاة ثني وتمديد الروابط الهيدروجينية بين الجزيئات تحت ضغط مرتفع للغاية. اتجاهات المحاكاة للاثنين متسقة بشكل أساسي ومتسقة مع النتائج التجريبية.
وفي الماء المضغوط للغاية بدرجة حرارة الغرفة، اكتشف العلماء أن الماء لا يتجمد في خطوة واحدة، ولكنه يخضع لدورات متعددة من الماء المثلج، ويتحول في النهاية إلى ما يعرف بالجليد السادس. وفي نطاق الضغط هذا (حوالي 1.6 جيجا باسكال)، اكتشفوا الجليد XXI، الذي تكون بنيته البلورية رباعية الأضلاع متمركزة حول الجسم.
يعتبر Ice XXI مميزًا جدًا: على الرغم من أن طاقته أعلى من MS-Ice VII في درجة حرارة الغرفة واستقراره أقل، إلا أن الفرق ليس كبيرًا. الأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أن Ice XXI فقط هو الذي يمكن تحويله إلى MS-Ice VII، لكن الماء العادي لا يمكنه إكمال هذا التحول مباشرة. ومع ذلك، إذا تم خلط الماء مع MS-Ice VII، فيمكن تحويلهما إلى Ice VI تحت ضغط عالٍ.
وباستخدام ليزر الأشعة السينية القوي في أوروبا، اكتشف العلماء أن الماء يتطور بخمس طرق مختلفة على الأقل عندما يتجمد، حتى في درجة حرارة الغرفة.
وأشار Geun Woo Lee إلى أنه "باستخدام نبضات الأشعة السينية الفريدة لجهاز XFEL الأوروبي، كشفنا أن H2O يمكن أن يخضع لمسارات تبلور متعددة أثناء الضغط السريع وإزالة الضغط أكثر من ألف مرة".
وأضافت راشيل هازبند، عضو فريق البحث: "تشير هذه النتائج إلى أن مرحلة الجليد شبه المستقر ذات درجة الحرارة العالية ومسار تحولها قد يكونان أبعد بكثير من المعرفة السابقة، ومن المتوقع أن تجلب اكتشافات جديدة لفهمنا للبنية المادية للأقمار الصناعية الجليدية".
وقد تم نشر البحوث ذات الصلة في "مواد الطبيعة".