ينشأ الجليد الجديد XXI عندما يتم سحق الماء إلى ضغوط شديدة

كشف تجميد ميكروثانية تحت ضغط ساحق عن Ice XXI، وهو شكل جديد تمامًا من الجليد.

سجل معهد الأبحاث الكوري للمعايير والعلوم (KRISS، الرئيس لي هو سيونج) تجمد الماء وذوبانه بشكل متكرر عند ضغط أعلى من 2 جيجا باسكال (2 جيجا باسكال) بينما كان لا يزال في درجة حرارة الغرفة. حدثت هذه الدورات السريعة خلال أجزاء من الثانية (μs، جزء من مليون من الثانية)، مما يجعلها المرة الأولى التي يراقب فيها العلماء هذه العملية بشكل مباشر.

أدى هذا الإنجاز إلى تحديد مسار تبلور غير معروف سابقًا في الماء وأدى إلى اكتشاف مرحلة جليدية جديدة. تم تسمية الهيكل المعترف به حديثًا باسم Ice XXI، مما يجعله الشكل البلوري رقم 21 للجليد.

كيف يخلق الضغط أشكالا جديدة من الجليد

على الرغم من أن الجليد يتشكل عادةً عند درجة حرارة أقل من 0 درجة مئوية، إلا أن الضغط يمكن أن يؤدي أيضًا إلى حدوث التبلور. تحت ضغط مرتفع بدرجة كافية، يمكن أن يتجمد الماء في درجة حرارة الغرفة وحتى عند درجات حرارة أعلى من نقطة الغليان الطبيعية. عندما يتم ضغط الماء بما يتجاوز 0.96 جيجا باسكال في درجة حرارة الغرفة، فإنه يتحول إلى الجليد السادس.

عندما يتجمد الماء، يتم إعادة تنظيم الروابط الهيدروجينية بطرق معقدة تعتمد على الضغط ودرجة الحرارة. تنتج هذه التعديلات الجزيئية مجموعة واسعة من الهياكل الجليدية أثناء التبلور.

إن اكتساب نظرة ثاقبة حول كيفية حدوث هذه التحولات، وتعلم كيفية التحكم فيها في البيئات القاسية، يمكن أن يساعد العلماء في نهاية المطاف على تطوير مواد جديدة لا تحدث بشكل طبيعي على الأرض.

قرن من رسم خرائط مراحل الجليد

على مدى المائة عام الماضية، حدد الباحثون 20 مرحلة من الجليد البلوري⁽¹⁾ عن طريق تغيير الضغط ودرجة الحرارة. تتشكل هذه الهياكل عبر نطاق هائل يمتد لأكثر من 2000 كلفن وأكثر من 100 جيجا باسكال. يعد قسم مخطط الطور بين 0 GPa و2 GPa واحدًا من أكثر المناطق تعقيدًا، حيث يحتوي على أكثر من عشر مراحل جليدية متقاربة.

خلق حالة سائلة فائقة الضغط

أنتجت مجموعة قياس الفضاء في KRISS حالة سائلة ظلت مستقرة عند ضغوط أكبر من 2 جيجا باسكال ودرجة حرارة الغرفة، على الرغم من أن هذا أكثر من ضعف الضغط المطلوب عادة للتبلور. لقد حققوا ذلك باستخدام خلية السندان الماسية الديناميكية الداخلية (dDAC)⁽²⁾، أداة مصممة لإجراء تجارب الضغط العالي الدقيقة.

تعمل خلايا السندان الماسية القياسية (DACs) على زيادة الضغط عن طريق تشديد البراغي، وهي طريقة يمكن أن تؤدي إلى اضطرابات ميكانيكية وضغط غير متساوٍ يسبب التنوي المبكر. يعمل نظام KRISS dDAC على تقليل الصدمات الميكانيكية وتقليل وقت الضغط من عشرات الثواني إلى 10 مللي ثانية فقط. سمح هذا للباحثين بضغط الماء في منطقة ضغط Ice VI مع الاحتفاظ به في صورة سائلة.

التقاط تشكيل الجليد الحادي والعشرون

بالشراكة مع علماء من جميع أنحاء العالم، استخدم فريق KRISS dDAC مع XFEL الأوروبي (أكبر منشأة ليزر حرة للأشعة السينية في العالم) لمراقبة تبلور الماء فائق الضغط بالميكروثانية. دقة. كشفت هذه القياسات عن طرق تبلور معقدة لم يتم توثيقها من قبل في درجة حرارة الغرفة. حدثت كل هذه التحولات خلال الجليد الحادي والعشرين، مما جعله المرحلة الجليدية البلورية الحادية والعشرين.

كما حدد الباحثون في KRISS البنية الداخلية لـ Ice XXI وقاموا بتوثيق المسارات التي تنتجه. يحتوي Ice XXI على وحدة خلية كبيرة ومعقدة بشكل ملحوظ، وهي أصغر نمط متكرر في الشبكة البلورية. يشكل الهيكل شكلاً مستطيلاً مسطحًا تكون فيه حافتا القاعدة متطابقتان في الطول.

جهد علمي عالمي

تم تحقيق هذا الإنجاز من خلال التعاون بين 33 عالمًا من كوريا الجنوبية وألمانيا واليابان والولايات المتحدة الأمريكية وإنجلترا، الذين عملوا جنبًا إلى جنب مع باحثين في XFEL الأوروبي و ديسي. تم اقتراح المشروع وقيادته بواسطة KRISS تحت إشراف الباحث الرئيسي (PI) الدكتور Lee Geun Woo.

مجموعة أبحاث KRISS – بما في ذلك الدكتور كيم جين كيون (مؤلف أول مشارك، باحث ما بعد الدكتوراه في KRISS)، دكتور كيم يونج جاي (مؤلف أول مشارك، باحث ما بعد الدكتوراه سابقًا في KRISS والآن في مختبر لورانس ليفرمور الوطني)، دكتور لي يون هي (مؤلف أول مشارك، عالم أبحاث رئيسي)، دكتور كيم مينجو (مؤلف مشارك، باحث ما بعد الدكتوراه)، دكتور تشو يونج تشان (مؤلف مشارك، عالم أبحاث رئيسي)، والدكتور لي جيون وو (مؤلف مشارك، عالم أبحاث رئيسي) – قادا تصميم التجربة، وجمع البيانات، وتحليل البنية. لقد جعل عملهم المشترك اكتشاف Ice XXI ممكنًا ويمثل تقدمًا كبيرًا في علوم الضغط العالي والكواكب.

الآثار المترتبة على علوم الكواكب

وقال الدكتور لي يون هي: “إن كثافة الجليد XXI يمكن مقارنتها بطبقات الجليد عالية الضغط داخل الأقمار الجليدية كوكب المشتري و زحل. وقد يوفر هذا الاكتشاف أدلة جديدة لاستكشاف أصول الحياة في ظل الظروف القاسية في الفضاء.

وأضاف الدكتور Lee Geun Woo، “من خلال الجمع بين تقنية dDAC المطورة داخليًا مع XFEL، تمكنا من التقاط لحظات عابرة لم يكن من الممكن الوصول إليها باستخدام الأدوات التقليدية. إن البحث المستمر في الضغط الفائق والبيئات القاسية الأخرى سيفتح حدودًا جديدة في العلوم.”

تم دعم هذا العمل من خلال مشروع تطوير تقنيات القياس والمواد ذات درجة الحرارة العالية جدًا ومحرك صاروخي من فئة 4000 K التابع للمجلس الوطني لبحوث العلوم والتكنولوجيا (NST). ونشرت النتائج في مواد الطبيعة.

استكشاف المزيد: اكتشف العلماء شكلاً جديدًا من الجليد لا ينبغي أن يكون موجودًا

ملحوظات

1. في السابق، تم الإبلاغ عن مراحل الجليد من Ice I إلى Ice XX. يتواجد الجليد I في شكلين بنيويين: الشكل السداسي Ih والجليد المكعب Ic.
2. إن dDAC هو جهاز عالي الضغط يستخدم زوجًا من الماس والمحركات الكهرضغطية للتحكم ديناميكيًا في تغيرات الضغط ومراقبتها في عينة مياه مجهرية.

المرجع: “مسارات تجميد وذوبان متعددة للجليد عالي الكثافة من خلال المرحلة الحادية والعشرين للجليد في درجة حرارة الغرفة” بقلم يون-هي لي، وجين كيون كيم، ويونج-جاي كيم، ومينجو كيم، ويونج تشان تشو، وراشيل جيه. زوج، وكورنيليوس ستروهم، وإيما إهرنريش بيترسن، وكونستانتين جلازيرين، وتورستن لوروس، وهاينز جرافسما، وروبرت بي سي باور، وفيليكس. ليمكولر، كارين أبيل، زوزانا كونوبكوفا، مينكسو تانغ، أناند براشانت دويفيدي، جولانتا سزتوك دامبيتز، ليزا راندولف، خاتشيوان بواكور، أوليفر همفريز، كارستن بايتز، توبياس إكلوند، ليزا كاتارينا موهرباخ، أنشومان موندال، هوك ماركوارت، إيرل فرانسيس أوبانون، كاترين أمان-فينكل، تشونغ-شيك يو، أولف زاستراو، هانز-بيتر ليرمان، هيروكي نادا، جيون وو لي، 10 أكتوبر 2025، مواد الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41563-025-02364-x

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.