ليس كل جليد الماء هو نفسه. يتنوع ترتيب الجزيئات المغلقة في الداخل بشكل كبير ، اعتمادًا على ظروف الضغط ودرجة الحرارة التي تتشكل فيها.
علمنا بوجود 18 مرحلة من مراحل الجليد المميزة ، بعضها يحدث بشكل طبيعي ، والبعض الآخر يتم رؤيته في المختبر فقط.
قبل ثلاث سنوات ، قام فريق من الباحثين بتعديل أحد الهياكل الجليدية الموجودة ، وتحويلها إلى شكل أطلقوا عليه اسم β-XV الجليد. الآن ، حدد أعضاء هذا الفريق هيكله البلوري الدقيق ، وأجابوا عن أسئلة حول كيفية تشكله وأعطوه التسمية Ice XIX.
يمكن أن يساعدنا هذا الاكتشاف على فهم أفضل لكيفية تشكل الجليد وتصرفه في ظل ظروف غريبة مختلفة جدًا عن تلك الموجودة على الأرض.
الجليد الذي تراه في المجمد ، أو الذي يتساقط من السماء على شكل رقاقات ثلجية أو بَرَد ، هو الجليد الطبيعي الأكثر شيوعًا على الأرض. يسمى هذا الجليد I ، ويتم ترتيب ذرات الأكسجين في شبكة سداسية. الهيكل ، ومع ذلك ، محبط هندسيًا، مع ذرات الهيدروجين أكثر اضطرابا.
عندما يتم تبريد الجليد الأول بطريقة معينة ، يمكن أن تصبح ذرات الهيدروجين مرتبة بشكل دوري ، بالإضافة إلى ذرات الأكسجين. هذه هي الطريقة التي يمكن بها للعلماء في المختبر إنشاء أطوار مختلفة من الجليد تحتوي على عدد أكبر بكثير من المصفوفات المرتبة من الجزيئات الكريستالية مقارنة بأشكالها الأم المختلة.
يعمل فريق من علماء الفيزياء الكيميائية من جامعة إنسبروك في النمسا منذ بعض الوقت مع المرحلة السادسة الجليد. إنه أحد أشكال الجليد التي يمكن العثور عليها في الطبيعة ، ولكن فقط عند ضغوط عالية جدًا تزيد بمقدار 10000 مرة عن الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر (حوالي 1 غيغا باسكال) ، مثل تلك الموجودة في الوشاح ، أو الملتفة حول قلب قمر زحل تيتان.
مثل Ice I ، Ice VI فوضوي نسبيًا. شكله مرتبة بواسطة الهيدروجين ، الجليد XV ، لم يكن كذلك اكتشف قبل عشر سنوات. يتم إنشاؤه عن طريق تبريد الجليد إلى ما دون 130 كلفن (-143 درجة مئوية ، -226 درجة فهرنهايت) عند ضغوط تبلغ حوالي 1 غيغاباسكال.
قبل بضع سنوات ، من خلال تعديل هذه العملية ، ابتكر الباحثون مرحلة أخرى من الجليد. لقد أبطأوا التبريد ، وجعلوه أقل من 103 كلفن ، وزادوا الضغط إلى 2 جيجا باسكال. أنتج هذا ترتيبًا ثانيًا لجزيئات الهيدروجين كان متميزًا عن جليد XV ، والذي أطلقوا عليه اسم β-XV ice.
التحقق من أن الجليد كان مرحلة منفصلة كان عقبة منفصلة ، تتطلب استبدال الماء العادي بماء “ثقيل”. الهيدروجين الطبيعي لا يحتوي على نيوترونات في النواة. من ناحية أخرى ، يعتمد الماء الثقيل على الديوتيريوم ، وهو شكل من أشكال الهيدروجين يحتوي على نيوترون في النواة.
من أجل فهم ترتيب الذرات في الشبكة البلورية ، يجب على العلماء تشتيت النيوترونات من النوى ، بحيث لا تتقاطع معها ذرات الهيدروجين العادية.
“لسوء الحظ ، يؤدي هذا أيضًا إلى تغيير أوقات الطلب في عملية صنع الآيس كريم” ، قال الفيزيائي توماس لورتينج من جامعة إنسبروك.
“ولكن بعد ذلك ، توصل طالب الدكتوراه توبياس جاسر إلى فكرة حاسمة تتمثل في إضافة نسبة قليلة من الماء العادي إلى الماء الثقيل – مما أدى إلى تسريع الطلب بشكل كبير.”
سمح ذلك للفريق بالحصول على البيانات النيوترونية التي يحتاجونها لإعادة بناء الهيكل البلوري. كما كانوا يعتقدون ، كان متميزًا عن Ice XV ، مما أكسبه مكانًا رسميًا باسم المرحلة التاسعة عشرة المعروفة ، Ice XIX.
وهذا يجعل زوج طور الأشقاء – أول زوج معروف له نفس البنية الشبكية للأكسجين ، ولكن بترتيبات مختلفة من ذرات الهيدروجين.
“هذا يعني أيضًا أنه لأول مرة ، سيكون من الممكن الآن إجراء الانتقال بين شكلين جليديين مرتبين في التجارب” ، قال Loerting.
تم نشر البحث في اتصالات الطبيعة.
