الفيزيائيون يصنعون "جليدا فائقا" قد يتواجد في العوالم الغريبة!

قد لا يكون إطلاق قطرة ماء بأحد أقوى أجهزة الليزر في العالم طريقة واضحة لصنع مكعب ثلج. لكنها طريقة واحدة، على الأقل إذا كنت تريد نوع الجليد الذي قد تجده في أعماق الكواكب العملاقة.
وعرف العلماء عن الأشكال الغريبة للجليد منذ عقود، لكنهم تمكنوا مؤخرا فقط من إنشاء بعض الأنواع الأكثر تطرفا في المختبر.
وأظهرت دراسة جديدة أجراها باحثون من جامعة شيكاغو ومعهد Carnegie بواشنطن في الولايات المتحدة مؤخرا، قطرة ماء في قبضة ماسية، ما أدى إلى زيادة الضغط وطهيها باستخدام الليزر لمعرفة كيف تتجمد إلى حالة "فائقة التأين".
ومن الناحية النظرية، فإن الجليد الفائق التأين هو ترتيب جزيئات الماء كشبكة من ذرات الأكسجين محاطة بمجموعة من الهيدروجين، الذي لا يبقى ساكنا. إنه جليد من الناحية التقنية، ولكنه مثل السائل والصلب في واحد. إنه أيضا نوع الجليد الذي لا يتشكل في درجات حرارة منخفضة، ولكن عند ضغوط شديدة.
وبينما تتنبأ النماذج ببعض الظروف التي يجب أن تظهر فيها هذه المرحلة من الماء، فإنها غامضة بعض الشيء عندما يتعلق الأمر بدرجات الحرارة الدقيقة.
ويكمن في قلب المشكلة سؤال حول شيء يسمى النقطة الثلاثية – مزيج من الضغط ودرجة الحرارة حيث تكون المادة على وشك الذوبان والتجمد.
ولجعل الأمر أكثر تعقيدا، يمكن أن يختلف نوع الماء ذو الهيكل الصلب الذي يمكن أن يستقر فيه أيضا. ويأتي الجليد في أشكال عديدة، اعتمادا على ترتيبات وحركات العناصر المكونة له.
ويمكن أن تساعد التجارب في تحديد مسار التغييرات المميزة بين الحالة السائلة والحالة فائقة التأين، ولكن حتى الآن كان الحصول على مجموعة موثوقة من النتائج يمثل تحديا حقيقيا، حيث تتعارض الملاحظات وفقا لطرق مختلفة بمئات الدرجات.
وعادة ما يجب وضع عينة من الماء تحت ضغط 50 غيغا باسكال على الأقل – نصف مليون مرة القوة التي تواجهها الآن تحت الغلاف الجوي للأرض – ثم يتم تسخينها باستخدام ليزر عالي الطاقة للاقتراب من رؤية أي شيء مهم.
لذلك، عندما شرع فريق من الفيزيائيين في مصدر الفوتون المتقدم التابع لإدارة الطاقة (APS)، في عصر الماء داخل منجلة الماس عند 20 غيغا باسكال، لم يكونوا يتوقعون الكثير.
ويقول عالم الجيوفيزياء فيتالي براكابينكا، من جامعة شيكاغو: "لقد كانت مفاجأة – اعتقد الجميع أن هذه المرحلة لن تظهر حتى تكون في ضغوط أعلى بكثير مما وجدناه لأول مرة. لكننا تمكنا من رسم خريطة دقيقة للغاية لخصائص هذا الجليد الجديد، والذي يشكل مرحلة جديدة من المادة، وذلك بفضل العديد من الأدوات القوية".
ومع وجود عينة الجليد الفائقة الأيونية في مكانها، تمكن الفريق من استخدام مسرع APS لتوليد حزمة من الأشعة السينية. وعندما تتشتت عينة الجليد، تشير هذه الأشعة السينية إلى مواقع ذراتها.
وسمح لهم ذلك بقياس الوقت الذي خضع فيه الماء لتحولات تطور محددة مع تغير الظروف، ووصف الخطوات التي يتخذها للتحول إلى جليد فائق الأيونية.
وبسبب الطريقة التي تتحرك بها الهيدروجين داخل الجليد الغريب، فإن الضوء المرئي يواجه صعوبة في المرور، ما يجعل مظهره أسود.
ويمكن أن يكون لهذا الطنين من ذرات الهيدروجين المتدفقة عبر شبكة أكسجين تأثير على المجال الكهرومغناطيسي المحيط، وربما يلعب دورا في تكوين الغلاف المغناطيسي الواقي للكوكب.
وبدأ الباحثون للتو في معرفة كيف أن حركات محيطات كوكبنا وكيمياء غلافه لها تأثير خفي على مغناطيسية عالمنا. ويمكن أن يساعدنا التعرف على كيفية قيام العناصر الجليدية الغريبة أيضا بالدفع، إلى مزيد من التعديل على نماذجنا.
ونُشر هذا البحث في مجلة Nature Physics.
المصدر: ساينس ألرت