قد تبدو المياه مملة، ولكن إنها طريقة أغرب مما يبدو. لقد أظهر العلماء في اليابان الآن أنه عندما تكون جزيئات الماء محصورة في مساحات ضيقة، فإنها يمكن أن تتصرف مثل المادة الصلبة والسائلة في نفس الوقت.

الاختلافات بين الماء السائل والجليد التي نختبرها على المستوى الكلي تبدأ على المستوى الجزئي. في الجليد، تكون الجزيئات محبوسة في هياكل صلبة، بينما في الماء، فإنها تطفو بحرية بشكل أساسي، وتشكل الروابط وتكسرها باستمرار.

متعلق ب: يمكن فصل الماء إلى سائلين مختلفين. لقد اقتربنا للتو من معرفة السبب

وفي الحالة الغريبة الموصوفة في الورقة الجديدة، تقوم الجزيئات بالأمرين معًا. إنها في وضع ثابت، مثل الثلج، ولكنها تدور بسرعة كما تفعل في السائل. المعروف باسم الذوبان المسبق الدولة، وهذا الشرط قد استعصى في السابق الدراسة المباشرة.

“تتضمن حالة ما قبل الذوبان ذوبان جزيئات H المرتبطة بالهيدروجين بشكل غير كامل₂O قبل أن يبدأ هيكل الجليد المتجمد تمامًا في الذوبان أثناء عملية التسخين،” يقول ماكوتو تادوكورو، كيميائي في جامعة طوكيو للعلوم.

“إنها تشكل بشكل أساسي مرحلة جديدة من الماء حيث يتم تجميد H₂يا طبقات وتتحرك ببطء H₂يا تعايش.”

تتطلب رؤية هذه الحالة الغريبة إعدادًا تجريبيًا معقدًا. بالنسبة للمبتدئين، لم يكن الماء من النوع الذي اعتدنا عليه في الحياة اليومية تمامًا: إنه ما يُعرف باسم “الماء الثقيل”، حيث يتم استبدال ذرات الهيدروجين بها. الديوتيريوم، نظير الهيدروجين الذي يحزم النيوترون في نواته.

هذا “د₂O” في مساحة ضيقة للغاية، حيث تظهر جميع أنواع السلوكيات الغريبة. صنع الباحثون بلورات على شكل قضيب بقنوات صغيرة محبة للماء يبلغ عرضها 1.6 نانومتر فقط، وقاموا بتجميد الماء الثقيل الموجود فيها، ثم قاموا بتسخينها ببطء مرة أخرى.

وأخيرًا، شاهدوا العملية برمتها باستخدام الديوتيريوم ذي الحالة الصلبة الساكنة الرنين المغناطيسي النووي (الرنين المغناطيسي النووي) التحليل الطيفي. وكشف هذا أن الجزيئات كانت تشكل بنية هرمية مكونة من ثلاث طبقات، مع أنواع مختلفة من الحركات والتفاعلات في كل طبقة.

ال حالة ما قبل الذوبان ربما تكون هذه الظاهرة مألوفة بالنسبة لنا على أنها طبقة رقيقة من الماء تتشكل على سطح الجليد، حتى لو كانت درجات الحرارة لا تزال أقل من درجة التجمد. لكنه يحدث بطريقة مختلفة في هذا الجليد السائب عما يحدث في ظل الحبس الشديد.

من المعروف بالفعل أن الماء يقوم ببعض الأشياء الغريبة عندما يقتصر على المقياس النانوي. إنه الخصائص الكهربائية يمكن أن تتغير; يمكن صنعه”غير قابل للتجميدحتى في درجات حرارة تقترب من الصفر المطلق، أو يمكن ذلك تجميد الصلبة في درجات الحرارة ينبغي أن يكون ذلك الغليان.

يقول الفريق إن الاستفادة من هذه المراوغات يمكن أن يكون له استخدامات عملية أيضًا.

“من خلال إنشاء هياكل جديدة لشبكات الجليد، قد يكون من الممكن تخزين الغازات النشطة مثل الهيدروجين والميثان وتطوير مواد تعتمد على الماء مثل هيدرات الغاز الاصطناعي“. يقول تادوكورو.

وقد نشر البحث في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية.