أخبار

مكتشف: يتكون الماء من سائلين


اكتشاف مذهل: أثبت العلماء أن الماء السائل يتكون من سائلين مختلفين. حتى الآن ، تم تحديد نوعي المياه في درجات حرارة منخفضة جدًا. يعتقد الفيزيائيون أنه من المحتمل جدًا أن يكون هذا موجودًا أيضًا كدرجة حرارة الغرفة.

يوجد الماء السائل في نسختين: سائل عالي الكثافة (HDL) وسائل منخفض الكثافة (LDL) ، تم اكتشافهما الآن في درجات حرارة منخفضة جدًا - ولكن لا يمكن تعبئتهما في زجاجات. ويظهر ذلك من خلال فحوصات الأشعة السينية في DESY وفي مختبر Argonne الوطني في الولايات المتحدة الأمريكية. يقدم فريق دولي من الباحثين بقيادة جامعة ستوكهولم اكتشافه الآن في "وقائع" الأكاديمية الأمريكية للعلوم (PNAS).

قام باحثو أندرس نيلسون بفحص ما يسمى بالجليد غير المتبلور. هذا الشكل الشبيه بالزجاج من الجليد المائي معروف منذ عقود. إنه نادر على الأرض ولا يحدث في الحياة اليومية ، ولكن معظم الجليد المائي في النظام الشمسي موجود في هذا الشكل غير المتبلور. بدلاً من البلورة الصلبة - مثل مكعبات الثلج من المجمد - يكون الجليد على شكل سلاسل جزيئية مضطربة ، والتي تتوافق بشكل أكبر مع الهيكل الداخلي للزجاج. على سبيل المثال ، يمكن إنتاج الثلج غير المتبلور عن طريق تبريد الماء السائل بسرعة بحيث لا تملك الجزيئات الوقت لتشكيل بنية بلورية مرتبة.

يوضح الفيزيائي في DESY فيليكس ليهمكوهلر من فريق البحث: "يوجد الجليد غير متبلور في نسختين ، إحداهما ذات كثافة عالية والأخرى ذات كثافة أقل". المتغيران معروفان بالجليد غير المتبلور عالي الكثافة (HDA) والجليد غير المتبلور منخفض الكثافة (LDA). يقول Lehmkühler ، "إن جليد HDA أعلى بنسبة 25٪ من جليد LDA". "كان العلماء يتساءلون لفترة طويلة ما إذا كان هذان النوعان من الآيس كريم ليس لهما متغيرات مطابقة في الماء السائل. ومع ذلك ، من الصعب قياس هذا. حتى في حالة وجود كلا النوعين في الماء السائل ، فإنهما يختلطان باستمرار ، ويتحولان إلى بعضهما البعض ، ولا توجد طريقة للفصل بينهما. "

عند تحويل جليد HDA إلى جليد LDA ، يزداد حجم الجليد تلقائيًا بنحو الربع. هذا يمكن ملاحظته بالفعل قبل التحقيق الحالي. الصور: كاترين أمان وينكل / فيليبو كافالكا ، جامعة ستوكهولم
لقد تغلب الباحثون الآن على هذه العقبة في درجات حرارة منخفضة. أعدت كاترين أمان فينكل عينات نقية بشكل خاص من جليد HDA في مختبر ستوكهولم. في مختبر أرغون الوطني في الولايات المتحدة الأمريكية ، لاحظ العلماء أن البنية الداخلية لهذا الجليد تتغير عندما يتم تسخينه بين 150 درجة تحت الصفر و 140 درجة مئوية تحت الصفر - يتغير إلى شكل منخفض الكثافة.

في محطة القياس P10 لمصدر ضوء الأشعة السينية لـ DESY PETRA III ، يمكن للباحثين الآن متابعة ديناميكيات تغيير المرحلة. اتضح أن التحويل يتم عن طريق سائل: أولاً يتحول جليد HDA إلى شكل سائل عالي الكثافة ، ثم يتحول هذا "السائل عالي الكثافة" (HDL) إلى شكل منخفض الكثافة ("سائل منخفض الكثافة" ، LDL). هذا يثبت وجود متغيرين مشتبهين من الماء السائل - على الأقل في درجات حرارة منخفضة للغاية. تكون المياه شديدة التجمد شديدة اللزوجة بحيث تتحول الطورتان السائلتان وتختلطان معًا ببطء شديد ، مما يجعلهما قابلين للقياس.

يوضح الباحث نيلسون ، أستاذ الفيزياء الكيميائية في جامعة ستوكهولم: "إن الخاصية الجديدة الرائعة التي لاحظناها هي أن الماء يمكن أن يتواجد كسائلين مختلفين ، في درجات حرارة منخفضة حيث يكون تبلور الثلج بطيئًا". يضيف فيفوس بيراكيس من جامعة ستوكهولم ، إلى جانب أمان وينكل ، المؤلف الرئيسي للدراسة: "من المثير جدًا أنه باستخدام الأشعة السينية ، يمكننا تحديد المواقع النسبية للجزيئات في أوقات مختلفة". "على وجه الخصوص ، تمكنا من متابعة تحويل العينة بين المرحلتين عند درجات حرارة منخفضة وإظهار أن مجموعات الانتشار كما هو معتاد للسوائل."

إن اكتشاف نوعين مختلفين من الماء السائل لا يغير أي شيء للاستخدام اليومي. بالنسبة للعلم ، ومع ذلك ، إنها خطوة مهمة في فهم هذا السائل غير العادي. يوضح ليهمكولر من مجموعة أبحاث DESY حول تناثر الأشعة السينية المتماسك من البروفيسور جيرهارد جروبيل ، وهو أيضًا مؤلف مشارك للدراسة ويعمل كعالم بارز في DESY: "يبدو الأمر بسيطًا مثل الماء ، فهو غريب مقارنة بالسوائل الأخرى".

يقول Lehmkühler: "تظهر المياه العديد من الحالات الشاذة - الكثافة والقدرة الحرارية والتوصيل الحراري هي فقط ثلاثة من عشرات الخصائص المختلفة للمياه عن معظم السوائل الأخرى". "العديد من هذه الخصائص هي الأساس لوجود الحياة ، لأنه بدون الماء وخصائصه الخاصة ، الحياة كما نعلم أنها ليست ممكنة." استكشاف المياه ليس فقط ذو أهمية كبيرة وهو مجال حيث تلتزم DESY بشكل متزايد. مصادر الضوء بالأشعة السينية الجديدة ، مثل الليزر الأوروبي بالأشعة السينية XFEL الأوروبي ، الذي يتم تكليفه حاليًا ، شريكه الرئيسي DESY ، أو توسيع مصدر السنكروترون DESY PETRA III إلى الجيل التالي ، PETRA IV ، سيسمح للباحثين باختراق أبعد من ذلك في التضاريس غير المخططة لمخطط طور الماء.

مع الدراسات المستقبلية ، يأمل العلماء ، من بين أمور أخرى ، في الإجابة على سؤال ما إذا كان نوعا الماء السائل موجودان أيضًا في درجة حرارة الغرفة. لا يوجد سبب أساسي لوجودها في درجات الحرارة المنخفضة فقط. يؤكد المؤلف المشارك لارس بيترسون ، أستاذ الفيزياء الكيميائية النظرية في جامعة ستوكهولم. باختصار ، هذا يعني أن الماء ليس سائلاً معقدًا ، بل سائلين بسيطين في علاقة معقدة.

كما شاركت في العمل جامعة إنسبروك والجامعة التقنية الملكية في ستوكهولم ومركز الأبحاث الأمريكي SLAC. (SB ، بعد الظهر)

العمل الأصلي:
"ديناميات منتشرة خلال الانتقال من الكثافة العالية إلى المنخفضة في الجليد غير المتبلور" ؛ Fivos Perakis و Katrin Amann-Winkel و Felix Lehmkühler و Michael Sprung و Daniel Mariedahl و Jonas A. Sellberg و Harshad Pathak و Alexander Späh و Filippo Cavalca و Daniel Schlesinger و Alessandro Ricci و Avni Jain و Bernhard Massani و Flora Aubree و Chris J. Benmore توماس ثيرتينج ، غيرهارد جروبيل ، لارس جي إم بيترسون وأندرز نيلسون ؛ "وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم" ، 2017 ؛ دوى: 10.1073 / pnas.1705303114

معلومات المؤلف والمصدر


فيديو: سحر الفخار والماء الممغنط (كانون الثاني 2022).